Способ изготовления каркасно-спеченной пористо-проницаемой структуры наполнителей-интенсификаторов рекуперативных теплопередающих устройств из металлорезины

 

Использование: разработка и производство рекуперативных теплопередающих устройств. Сущность изобретения: после спекания исходной металлорезины ее структура в изделиях должна удовлетворять требованиям и заранее закладываемым предпосылкам по всем ее структурным параметрам, в том числе и относительным, влиящим на ее функционирование в изделии. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к теплообмену и теплопередаче, и предназначено для разработки и производства пористо-компактных рекуперативных теплопередающих устройств различного назначения и применения в любых областях техники.

Предлагаемый способ по конкретному ТЗ на пористое рекуперативное теплопередающее устройство с интенсификацией в нем теплообмена и теплопередачи позволяет выбрать требуемую пористую структуру их каркасно-спеченных пористо-проницаемых наполнителей-интенсификаторов, удовлетворяющих требованиям выставленного ТЗ.

Пористоспеченные структуры известны и широко применяются в технике в различных ее областях [1-4] Однако основой для их изготовления преимущественно служат сеточные материалы (сетки), имеющие исходные структурные особенности, которые после их спекания доминируют в структуре полученного таким образом изделия, структурные характеристики которого из-за этого определяются исходной сеточной структурой, что довольно часто является большим неудобством, приносящим порой отрицательные эффекты, не поддающиеся корректировке и исправлению.

По-видимому, по этой причине при попытке использования пористых структур в теплообмене и теплопередаче их стали изготавливать из исходных сыпучих материалов (стружки, гранул, обрезков и т.п.) и, кроме того, спекать их по несогласующимся технологиям (кто в вакууме, кто во флюсе, кто в кислой, кто в щелочной среде, а кто и просто так в атмосфере и т.п.), что из-за их полной неидентифицированности привело к несогласующимся их тепловым характеристикам, сравнивать которые просто невозможно и не имеет смысла [3] Проблема идентифицированности пористых структур вообще и особенно при их попытке использования в теплообмене и теплопередаче, в частности, в рекуперативных теплопередающих устройствах, например теплообменниках, встала чрезвычайно остро, разрешать, однако, которую удалось, используя, например, работу [5] в которой приводятся сведения по амортизационным пористо-упругим металлам МР (металлорезинам), представляющим собой путанку из проволочных спиралей.

Оказалось, что из металлорезины (например, на основе медной проволоки) можно изготавливать в процессе производства пористых рекуператоров полностью идентифицированные пористо-проницаемые спеченно-монолитной каркасной структуры наполнители-интенсификаторы их канальных трактов [6] в связи с чем затем появились предложения по двум типам компановок таких рекуперативных теплообменников [7 и 8] Здесь следует лишь заметить, что способ, изложенный в [6] относится к способам изготовления теплообменника (устройства), в котором для интенсификации в нем теплообмена и теплопередачи, предусмотрены наполнители-интенсификаторы каркасно-спеченной пористопроницаемой структуры, которые изначально выполнены из неспеченной металлорезины, но которые в процессе реализации указанного способа, превращаются в предусмотренные конечные изделия с заранее закладываемыми в них функциональными характеристиками.

Цель изобретения разработка способа изготовления каркасно-спеченной пористопроницаемой структуры с функциональными характеристиками оптимально удовлетворяющими требованиям конкретных ТЗ на пористокомпактные рекуператоры с использованием технологии [6] их изготовления.

Цель достигается за счет того, что после спекания исходной металлорезины получающаяся при этом каркасно-спеченная пористо-проницаемая структура находится в одной из трех возможных областей: с фильтрационно-ламинарным режимом течения теплоносителя по структуре, область которой ограничена линиями: функциональными , а также абсциссой и ординатой ε = 0,951 при 0 < ε < 0,951; с фильтрационно-ламинарновихревым режимом течения теплоносителя по структуре, область которой ограничена линиями: функцией , абсциссой и ординатой ε = 0,951, при 0,889 < ε < 0,951; с турбулентно-переходно-ламинарным режимом течения теплоносителя по структуре, в зависимости от скорости его течения, область которой ограничена ординатой ε = 0,951 при 0,951 < ε < 1. Цель достигается также за счет того, что после спекания структуры из исходной металлорезины в ней отношение гидравлического диаметра структуры d_г к диаметру проволоки спирали d_п меньше восьми: при когда пористость в структуре варьируется в пределах 0 < ε < 0,951 при этом в структуре устойчиво реализуется фильтрационно-ламинарный режим течения теплоносителя, при котором в критерии теплообмена Нуссельте, являющимся здесь сложно функцией от пористости структуры ε и критерия движения Рейнольдса Re, степень при Рейнольдсе η = 1,59(1-ε^13,9).
Цель достигается также за счет того, что после спекания структуры из исходной металлорезины в ней отношение

когда пористость в структуре варьируется в пределах 0,889 < ε < 0,951, при этом в структуре реализуется фильтрационно-ламинарновихревой режим течения теплоносителя, при котором в критерии теплообмена Нуссельте степень при Рейнольдсе η ≃ 1.
Цель достигается также за счет того, что после спекания структуры из исходной металлорезины пористость в структуре варьируется в пределах 0,951 < ε < 1 в отсутствии фильтрации теплоносителя, т.е. это безфильтрационная зона, при этом в ней каналы трактов рекуперативных теплопередающих устройств становятся незначительно заполненными наполнителями и в них реализуются обычные канальные режимы течения теплоносителя: турбулентный η переходной (0,8 < η < 1,8) и ламинарный (0,2 ≅ η ≅ 0,33) в зависимости от скорости течения теплоносителя.

Цель достигается также за счет того, что после спекания структуры из исходной металлорезины в ней отношение и ее пористость ε являются требуемыми и, при этом, выполняются отношения h/d_п≥7 и причем, при выполнении здесь равенства, реализуется еще допустимая структура наполнителя и, кроме этого, для предельной компактности рекуператоров и технологичности их исполнения, высота щелевых каналов их трактов, или, что то же самое, толщина наполнителей h, в относительном выражении, находится в интервале 1≅h≅1,5 и, в крайних случаях, здесь возможно повышение верхнего предела.

Инициирующими обстоятельствами подачи этой заявки на способ изготовления каркасно-спеченной пористо-проницаемой структуры наполнителей-интенсификаторов рекуперативных теплопередающих пористокомпактных устройств [6 8] послужили результаты экспериментальных исследований их тепловых характеристик, которые представлены на фиг. 1 и в таблице.

Из представленных данных видно, что исследовались восемь устройств семь образцов, представляющих собой двухканальные рекуператоры, каналы которых заполнены пористопроницаемыми наполнителями, и один ПКТО-9К (пористокомпактный девятиканальный теплообменник), щелевые каналы которого также заполнены пористыми наполнителями.

При первоначальном анализе указанных результатов экспериментально полученная зависимость 4 и относительно высокоскоростная часть зависимости 8 (фиг. 1 и таблица), имеющие показатель при критерии Рейнольдса η ≃, были исключены из дальнейшего начального рассмотрения как аномальные и неподдающиеся объяснению
Вместе с тем, эти исключенные данные, тем не менее, остаются экспериментально наблюдаемыми данными (и от этого никуда не уйти), тем более, что они удовлетворительно друг с другом коррелируются по одному структурному параметру, а именно, по отношению гидравлического диаметра d_г, спеченной пористой структуры, к диаметру проволоки d_г ее исходной металлорезины, которые в обоих случаях находится на одном уровне d_г/d_п F 8, заметно отличающихся от уровней аналогичных параметров других испытываемых объектов (фиг. 1 и таблица), т. е. этот относительный параметр, характеризующий спеченную пористо-проницаемую структуру, приобретает, таким образом, значимость и по этой причине требует детального рассмотрения.

В источнике [7] приведено соотношение для вычисления гидравлического (эквивалентного) диаметра d_г в пористо-проницаемых структурах, получаемых из спеченных металлорезин, размещаемых в щелевых каналах с высотой h, которое было получено при решении задачи о гидравлическом диаметре таких каналов, исходя из общепринятого и известного его определения d_г 4f/П, где f реальная площадь проходного сечения указанного канала; П весь его смоченный периметр. Полученное соотношение имеет вид где d_п - диаметр проволоки исходной металлорезины; ε ее пористость после спекания.

Из приведенного соотношения, в частности, получаем выражение для отношения d_г/d_п

которое представляет собой обратную величину от суммы двух слагаемых, одно из которых является функцией пористости структуры ε, а другое представляет собой отношение двух геометрических параметров структуры, причем, каждое из них изменяется в пределах: первое и второе При этом второе слагаемое, в связи с тем, что может представляться двояко: или как d_n/2h, или как h/d_п. Второе представление интересно тем, что оно наглядно показывает какое количество структурной толщины d_п может разместиться в высоте щелевого канала h, т.е. в толщине спеченной структуры.

При предельных значениях второго слагаемого имеем асимптотично-теоретические граничные значения d_г/d_п= f(ε) вида

которые представлены на фиг. 2 в виде функциональных зависимостей 1 и 13. Остальные реальные функциональные зависимости 2-12, представленные на этой фигуре, получены при конкретно задаваемых отношениях d_п/2h, также представленных на указанной фигуре, два из которых 0,007143 (зависимость 2) и 0,01357 (зависимость 3) взяты из таблицы, соответственно для экспериментальных закономерностей (фиг.1) 4 и 8.

Как видно на фиг. 2, зависимость 3/8 (для удобства и понимания так будем их обозначать) при ε = 0,9 практически точно пересекается с абсциссой d_г/d_п= 8, что отмечено на фиг. 2 экспериментальной точкой 8. Зависимость 2/4 с абсциссой d_г/d_п=8 пересекается при ε = 0,8945, а при действительной пористости наполнителей-интенсификаторов, испытуемого рекуперативного образца 4 ε = 0,9, его конструктивное отношение d_г/d_п имеет значение 0,8456 (таблица) и на фиг. 2, естественно, оно лежит выше абсциссы d_г/d_п=8, что на фиг. 2 также отмечено опытной точкой 4.

Из фиг. 1 следует, что характер изменения по Рейнольсу экспериментальной закономерности 4 отличается во всем диапазоне изменения ее критерия Рейнольдса от других зависимостей этой группы испытываемых объектов, характеризующихся d_п 0,1 мм и d_к/d_п=12, где d_к/d_п - отношение диаметра Керна навивки спирали к диаметру навиваемой на него проволоки (таблица). Впечатление такое, что этот объект испытывается при резко изменившихся условиях эксперимента это, с одной стороны, а
с другой из данных фиг.1 и таблицы следует, что объект 8, принадлежащий к другой группе опытов, где d_п 0,19 мм и d_к/d_п 6,316, и который совершенно случайно, но удачно, оказался практически на абсциссе d_г/d_п 8 (фиг. 2) это с одной стороны, а с другой по изменению критерия Рейнольдса результаты его испытаний резко раздвоились (таблица и фиг. 1) и при средней скорости течения теплоносителя по пористо-проницаемой структуре его наполнителей 5,5 м/с он как бы перешел в другой режим испытания.

В обоих случаях отмеченные переходы фиксируются показателем при Рейнольдсе η ≃ 1 (таблица).

Зацепка для относительно правдивых объяснений описанных наблюдений базируется, в первую очередь, на данных испытаний объекта 8, так как результаты его испытаний имеют больший объем информации.

Действительно, из таблицы, в которой представлены результаты расчетно-математической обработки опытных данных фиг. 1, видно, что у образца 8 по крайней мере в два раза больше информации по результатам его испытания, чем у образца 4.

Во-первых, его характеристическая функция при пористости его пористопроницаемых наполнителей-интенсификаторов ε = 0,9 пересеклась с абсциссой d_г/d_п 8 (фиг. 2) и при этом в интервале испытаний 58≅ Re ≅ 450 и адекватном ему 0,72 м/с ≅V≅ 5 м/с (фиг. 1 и таблица), в результате соответствующей математической обработки полученных опытных данных этой части испытаний объекта 8 было выявлено критериальное эмпирическое соотношение для теплоотменного Нуссельта (в его пористой системе) вида: Nu 0,0075Re 1,21 (таблица), что по степени при Рейнольдсе удовлетворительно коррелируется с результатами испытаний всех остальных объектов исследований (кроме, разумеется, образца 4) и это видно из данных, представленных на фиг. 3.

На указанной фиг. 3 приведены опытные, с соответствующей нумерацией точки, представляющие степени n при Рейнольдсах во всех исследованных пористых рекуперативных теплопередающих устройствах (объектах), которые определялись из соответствующих опытных данных фиг.1 по разработанным методикам и программам на ПЭВМ.

Из фиг. 3 следует и раздвоение результатов опыта 8, и хорошая корреляция между опытом 4 и относительно высокоскоростной (фиг. 1 и таблица) частью опыта 8 и то, что эти коррелирующиеся результаты выпадают из аппроксимирующей остальные опытные данные закономерности η = 1,59(1-ε^13,9), подобранной по этим опытным данным, которая приводится, например в [7] а также ее экстраполяция от точки 8 при стремлении пористости к единице, т.е. к гладкому каналу.

Во-вторых, из всех имеющихся экспериментальных точек только одна из них, а именно точка 8, лежит на абсциссе d_г/d_п 8, а остальные (в основном) ниже ее. Только точка 4 лежит выше указанной абсциссы, что следует из фиг.2, на которой представлены все опытные точки таблицы, т.е. всего имеющегося обработанного экспериментального материала фиг.1.

На фиг. 2 все опытные точки лежат достаточно близко у верхней граничной закономерности обозначенной первым номером, в связи с тем, что опыты выполнялись на объектах, в которых отношение d_п/2h варьировалось в узком пределе 0,007143 ≅ d_п/2h ≅ 0,01357 (таблица), близко граничащим с d_п/2h=0, т.е. с указанной граничной закономерностью.

Однако это не специально, а просто так вышло в процессе изготовления объектов испытаний, в связи с наличием, при этом лишь медной проволоки только двух диаметров: d_п 0,1 мм и d_п=0,19 мм и больших технологических трудностей по их производству, которые с большим трудом, но все же преодолевались.

Между тем, все закономерности, приведенные на фиг.2, получены по выражению (1) при варьировании в нем пористостью при конкретно задаваемом наборе параметров d_п/2h, который на фиг. 2 обозначен и состоит из 13 позиций.

Из вышерассмотренного с очевидностью следует, что на фиг. 2 абсцисса d_г/d_п 8 наравне с закономерностями 1 и 13 является гранично-критической линией, ниже которой в пористо-проницаемых структурах идут одни фильтрационные процессы, а выше другие. Кстати, есть экспериментальная точка 8 на этой линии, условия проведения эксперимента которой известны и зафиксированы, но, к сожалению, она единственная. Тем не менее по ней (и потому, что о ней известно) все же можно повышаться сделать полезные выводы, разъясняющие ситуацию.

Из фиг. 1 и таблицы о точке 8 известно, что при Re≅450 (V≅ 5 м/с) в каркасной пористо-проницаемой структуре, с параметрами, принадлежащими этой точке, теплоноситель фильтруется в ламинарном режиме течения по такой структуре. Но как только критерий Рейнольдса становится Re≥600 (V≥ 7 м/с) фильтрация теплоносителя в этой структуре становится также другой, ибо изменяется теплообмен между поверхностью того же самого каркаса и тем же самым теплоносителем, о чем свидетельствует перемена порядка при Рейнольдсе с η = 1,21 на η = 1,01 (таблица) и, заметим, только лишь при повышении скорости прокачки (Re) теплоносителя по этой структуре. Причина этого перехода (скачка) явно связана с уровнем величины одного единственного относительного параметра пористой структуры отношением d_г/d_п (таблица), которое по существу является калибром ее проходного сечения. При этом поднялся уровень этого калибра до отметки 8 и вся система переходит в неустойчивое состояние, чуть что и скачок. Если же этот уровень перешли, то имеем вариант образца 4 (таблица и фиг. 1), когда при любом Рейнольдсе и соответственно при любой скорости течения теплоносителя, пористо-проницаемая система устойчиво переходит в иной режим функционирования с показателем при Рейнольдсе η = 1,08 т. е. опять на уровне η ≃ 1.
Безусловно, указанный режим обусловлен структурными особенностями пористо-проницаемых систем и, как уже установлено, главным образом, по-видимому, отношением d_г/d_п, т.е. уровнем ее калибра.

При малых уровнях калибра, а это напрямую связано с малыми уровнями пористости ε, пористопроницаемых структур, и допустимо высокими значениями в них отношения d_п/2h (фиг. 2), количество компактного структурного материала d_п в объеме таких систем преобладает над свободными проходными объемами (пустотами), проходные сечения которых при этом имеют малые размеры. Совершенно очевидно, что и пустотные объемы (поры) в таких структурах (где, кстати, происходит теплообмен между их локальной поверхностью и теплоносителем) будут иметь незначительные габаритные размеры, при которых в них не может возникнуть и развиться свободная (естественная) конвекция, что и приводит к ламинарному режиму течения теплоносителя в этих структурах.

Однако по мере увеличения параметра пористой структуры d_г/d_п (ее калибра) увеличиваются и ее пустотные (порные) объемы и при этом снижается скорость течения по ним теплоносителя (таблица, образцы 4 и 8), что (в принципе) одновременно снижает интенсивность вынужденной конвекции, если она имеет место, но также повышает вероятность возникновения и развития свободной конвекции, связанной с прогревом теплоносителя и возникновением повышенного градиента температуры между ним и каркасной поверхностью пор и как следствие этого создание градиента плотности теплоносителя в увеличенном объеме пор и инициирование тем самым возникновения и развития в ней естественной конвекции.

Разумеется, описанная критическая ситуация в поровой системе возникает при ее подходе к граничной абсциссе d_г/d_п 8 (фиг. 2), на ней она реализуется, а выше ее система устойчиво переходит от фильтрационно-ламинарного состояния (режима течения теплоносителей) в так называемое "фильтрационно-ламинарновихревое состояние", при котором теплоноситель, в общем то, фильтруется ламинарно, но с вихреобразованием при умеренном его развитии.

Действительно, в пористо-проницаемых структурах, имеющих d_г/d_п < 8, трудно себе представить режим течения теплоносителя по таким структурам, кроме как фильтрационно-ламинарного, что обусловлено, в первую очередь, чрезвычайно низкими скоростями течения теплоносителя по указанным структурам (таблица), где представлены обработанные результаты фиг. 1, когда объекты исследований продувались газовым теплоносителем, а именно - воздухом. Приведенные в таблице скорости фильтрации на один-два порядка ниже тех, на которые необходимо начать обращать внимание при газовых теплоносителях. При таких низких скоростях течения теплоносителя, в пористопроницаемых системах, кроме фильтрационно-ламинарного его режима, ничего быть не может.

Когда же калибр пористо-проницаемой системы достигнут уровня d_г/d_п=8, как отмечалось выше, она перейдет в неустойчивое состояние и при очень малых скоростях течения теплоносителя V < 5 м/с, а также при d_п/2h 0,01357 (таблица позиц.8), она будет находиться при прежнем фильтрационно-ламинарном режиме течения теплоносителя, но с увеличением его скорости до V > 7 м/с она перейдет в другое состояние - фильтрационно-ламинарновихревое.

По-видимому, здесь при абсолютной неизменности структурных параметров системы повышение скорости течения теплоносителя, при обтекании им каркаса структуры, инициирует срывы потока теплоносителя с каркаса с образованием вихрей, которые из-за неустойчивости системы ею не гасятся. При этом погасить их, по-видимому, можно, понизив скорость течения теплоносителя до прежнего допустимого уровня V < 5 м/с, но, к сожалению, экспериментально это не было проверено. Кроме того, с ростом скорости течения теплоносителя (и, следовательно, критерия Рейнольдса) автоматически повышается и интенсификация процесса теплообмена между теплоносителем и каркасом структуры, в том числе и при прежнем фильтрационно-ламинарном режиме течения теплоносителя, что может привести к росту температурного градиента между каркасом и теплоносителем и соответственно к возникновению градиента плотности теплоносителя, а это источник и механизм вихреобразования даже в фильтрационно-ламинарном потоке теплоносителя, а тем более в неустойчивом состоянии системы.

В случае, когда d_г/d_п > 8, как отмечалось выше, устойчивое вихреобразование в фильтрационно-ламинарном течении теплоносителя, да еще в крупнокалиберной пористо-проницаемой структуре неизбежно, объяснимо и законно, так что имеющий здесь место переход к устойчивому фильтрационно-ламинарновихревому режиму течения теплоносителя правомерен.

Здесь необходимо также отметить, что даже крупногабаритная пористо-проницаемая структура при фильтрационно-ламинарновихревом режиме течения в ней теплоносителя (пока существует фильтрация в пористой системе) не переведет этот режим течения в явно турбулентный.

Тем не менее возникает вопрос о том, когда же в пористо-проницаемой структуре прекращается фильтрация и при каких ее пористостях e.

В источнике [7] приведены все соотношения, из которых нетрудно записать эмпирическое выражение для пористого теплообменного критерия Нуссельта

которое справедливо для воздушного теплоносителя и которое при 1 > ε ≃ 0,951 трансформируется в известную эмпирическую закономерность: Nu ≈ 0,032 Re^0,8, справедливую для гладких стенок и гадких щелевых каналов и воздушного теплоносителя при турбулентном режиме его течения.

На фиг. 3 представлен характер изменения показателя η при критерии Рейнольдса по пористости пористопроницаемой структуры e, в записанном выражении для Nu_ε, естественно, при фильтрационно-ламинарном режиме течения теплоносителя по этой структуре. При экстраполяции графика изменения h, когда пористость стремиться к единице, при e = 0,951 имеем η = 0,8 и множитель перед Рейнольдсом C 0,036, что, как отмечалось выше, присуще только турбулентному режиму течения потока вещества.

Таким образом, получается, что при ε = 0,951, в щелевом канале, по существу заполненном фрагментом пористо-проницаемой структуры, возможно турбулентное течение теплоносителя, а фрагментарное заполнение канала, безусловно, способствует турбулизации потока в нем, т.е. получается, что при ε = 0,951 в пористо-проницаемой структуре прекращается фильтрация, а канал становится как бы свободно-гладким.

Из этого с очевидностью следует, что ордината при пористости структуры ε = 0,951 является гранично-критической линией, которая, например, на фиг. 2 и проведена, а ее пересечение с другой гранично-критической линией, абсциссой d_г/d_п 8, отмечено звездной точкой.

Следовательно, согласно данным фиг. 2 фильтрация в пористо-проницаемых системах возможна в пространстве (области) ограниченном гранично-критическими линиями: двумя функциональными

и ординатой ε 0,951, при этом четвертая линия абсцисса d_г/d_п 8 делит это пространство на две части: большую нижнюю и меньшую верхнюю.

Нетрудно установить, что верхняя, при 0,889 < ε < 0,951, крупнокалиберная часть области заканчивается точкой пересечения функциональной линии (1) с ординатой e = 0,951 которая дает теоретически-предельную отметку d_г/d_п 19,41. Очевидно, что здесь все реальные промежуточные значения будут находиться в пределах 8 < d_г/d_п < 19,41 и, естественно, при фильтрационно-ламинарновихревом режиме течения теплоносителя по пористо-проницаемой структуре наполнителей-интенсификаторов рекуператоров, с показателями при критерии Рейнольдса, в пористом теплообменном критерии Нуссельта Nu_ε, η ≃ 1.
Очевидно также, что в пределах 0 < d_г/d_п < 8, при 0 < ε < 0,951, будет лежать большая фильтрационно-ламинарного режима течения теплоносителя в пористой среде, нижняя часть области фильтрации в таких средах, которая ограничена сверху абсциссной граничной линией d_г/d_п=8, снизу - функциональной граничной линией , а с боков функциональной граничной линией (1) и ординатной граничной линией e = 0,951. Однако здесь имеет смысл уточнить диапазон варьирования пористости ε.

Дело в том, что в выражении (1) слагаемое представляет собой отношение объема заполнения к объему пор в материальной пористой системе и из обычных сообщений здравого смысла о таких системах, да еще предназначающихся для использования в теплообменно-теплопередающих рекуперативных устройствах, вытекает, что должно иметь место: 1-ε/ε ≅ 1, а еще лучше 1-ε/ε < 1, в противном случае, что же это за пористая система, если в ней заполнение будет преобладать над пористостью.

Из такого практического соображения и из последнего неравенства следует, что имеет место требование: ε > 0,5. Если посмотреть внимательно на фиг. 2, то напрашивается ε > 0,6 и совсем неплохо ε ≥ 0,65, что в совокупности соответствует интервалу изменения пористости 0,65 ≅ ε < 0,951, хотя, конечно, если есть необходимость, то он может быть и прежним. Окончательно уточнить все это может только практика расчетно-проектных работ, производства изделий и их эксплуатации.

Очевидно также (фиг. 2), что во фрагментарном диапазоне 0,951 < ε < 1, в каналах трактов рекуператоров, при указанных пористостях действительно останутся только фрагменты пористых образований, уже не способные в каналах организовать фильтрацию теплоносителей, но которые тем не менее способны выполнять еще какие-то другие функции, например турбулизовать потоки теплоносителей или усиливать конструкцию каналов и т.п.

Таким образом, в указанном диапазоне пористостей каналы трактов практически можно считать незаполненными со всеми вытекающими отсюда последствиями, т.е. в них при этом могут реализоваться обычные канальные режимы течения теплоносителей: турбулентный (η = 0,8), переходной (0,8 < η < 1,8) и ламинарный (0,2 ≅ η ≅ 0,33), определяемые скоростями течения теплоносителей по каналам или (что то же самое) соответствующими и известными интервалами изменения критерия движения Рейнольдса.

Из фиг. 2 по ее данным можно с использованием способа графического перестроения получить вспомогательно-расширяющую ее фиг. 4, на которой во взаимосвязи представлены все вскрытые здесь области вариантов течения теплоносителей по пористо-проницаемым структурам наполнителей-интенсификаторов.

На фиг. 4, построенной в координатах (ε, d_п/2h), указанные области обозначены соответственно с присущими им показателями h при критериях Рейнольдса в, реализуемых в этих областях, критериях теплообмена Нуссельта. На этой фигуре обозначены также попавшие в нее экспериментальные точки с соответствующей нумерацией, а также точки пересечения функций d_г/d_п= f(ε,d_п/2h), при ряде фиксированных значений d_п/2h, с опытно выявленным гранично-критическим значением d_г/d_п 8, которые при графическом построении фиг. 4 были перенесены с фиг. 2 и, разумеется, со звездной точкой, одновременно контактирующей с тремя определенными областями течения теплоносителя по соответствующим пористо-проницаемым структурам.

Таким образом, звездная точка на фиг. 4 (так же, как и на фиг. 2) является тройной точкой, так как она, и это видно на обеих фигурах, действительно принадлежит трем различным областям, в которых по-разному реализуются течения теплоносителя в пористых структурах и, естественно, теплообмен между теплоносителем и канальными поверхностями.

Здесь следует также обратить внимание на то, что область фильтрационно-ламинарновихревого режима небольшая по сравнению, например, с тем, как это зрительно воспринимается на фиг. 2. Однако, несмотря на свою малость, эта область представляет большой интерес из-за реализуемого в ней процесса теплообмена между пористой поверхностью и теплоносителем, характеризующимся по имеющимся опытным данным (таблица) осредненным выражением, Nu_ε ≃ 0,0273Re^1,045, которое для воздуха по своим параметрам почти коррелируется с известным аналогичным выражением, правда, справедливым для незаполненных каналов и турбулентного режима течения по ним, имеющим вид Nu 0,02Re^0,8 с той только существенной разницей, что у приведенного выражения показатель при Рейнольдсе h выше и в рамках оказываемого им действия значительно. Это в какой то степени подтверждается расположением на фиг. 1 экспериментальной зависимости K f(Re), для испытываемого объекта 4, при пористости его наполнителей e = 0,9 (таблица), которая, если она бы принадлежала фильтрационно-ламинарному режиму течения теплоносителя, должна была бы располагаться ниже опытной зависимости 3, полученной при пористости наполнителей ее объекта испытаний ε = 0,85 и лежащей на своем законно-адекватном месте в этой группе экспериментов. Однако, попав в область фильтрационно-ламинарновихревого течения теплоносителя, зависимость 4 "выпала" из своей группы по объяснимым теперь причинам и, в частности, из-за того, что при этом у нее повысился критерий Нуссельта примерно раза в 2,5 против ожидаемого и соответствующего фильтрационно-ламинарному режиму течения теплоносителя. Собственно говоря, в основном в этом и состоит заманчивость, а именно в выявленной здесь фильтрационно-ламинарновихревой области.

На фиг. 4 (как и на фиг. 2) при ε > 0,951 начинается нефильтрационная зона, в которой практически отсутствует заполнение канала, который начинает функционировать как обычный канал, в котором реализуются обычные канальные режимы течения теплоносителя: турбулентный (η = 0,8); переходной (0,8 < η < 1,8) и ламинарный (0,2 ≅ η ≅ 0,33) в зависимости от скорости течения теплоносителя по каналу.

В источнике [3] обсуждаются геометрические параметры пористо-прониицаемых структур наполнителей-интенсификаторов, которые представляют собой высоту (толщину) наполнителя h, равную высоте щелевого канала, его пористость ε, диаметр проволоки исходной металлорезины d_п, гидравлический диаметр спеченной структуры наполнителя d_г и сформированную в структуре удельную поверхность a. Не умаляя значимости этих параметров, следует также отметить и (как это стало известно теперь) неменьшую значимость относительных параметров этих структур, в частности таких как 1-ε/ε или ее обратную величину, h/d_n или ее обратную величину h/d_n 0,5/d_п/2h и d_г/d_п, от уровня которых (и часто в их совокупности) зависят принципиальные структурные свойства пористо-проницаемых наполнителей-интенсификаторов, определяющих в каналах рекуператоров режима течения теплоносителей и, как следствие, особенности теплообмена между теплоносителем и пористой поверхностью структуры.

Совершенно очевидна важность правильного и оптимального выбора всех указанных выше параметров пористо-проницаемых структур при расчетно-проектных проработках пористокомпактных рекуперативных устройств по конкретным ТЗ, да еще с учетом того, что эти параметры в рамках ТЗ могут начать противоречить друг другу и потребовать нахождения оптимального компромисса.

Для решения обозначенной выше сложной задачи могут с пользой пригодиться изложенные в данной заявке материалы и, пожалуй, больше всего представленные на фиг. 2 и 4.

Все приведенные в формуле изобретения существенные отличительные признаки предлагаемого изобретения в основном, следует из данных, представленных на фиг. 2 и 4, а также из изложенного в описании материала.

При этом необходимо отметить также, что в последнем звене формулы изобретения отличительные признаки h/d_п≥7 и его следствие d_п/2h ≅ 0,07 выбраны из практических соображений по принципу "достаточно-недостаточно", что может уточниться и откорректироваться лишь практикой.

Что касается второго отличительного признака в этом звене формулы, то и в нем заложены те же практические соображения, а также и технологические, которые все сводятся к естественному желанию в ограниченном размере уложить как можно больше однотипных частей теплопередающей поверхности рекуперативного теплопередающего устройства, чтобы оно было предельно компактным.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг. 1 результаты экспериментальных исследований тепловых характеристик теплопередающих объектов, параметры которых представлены в таблице;
фиг. 2 функциональные зависимости d_г/d_п по пористости e плоских, толщиной h, пористо-проницаемых структур при фиксированном их относительном параметре d_п/2h и граничные линии: 1,13; e = 0,951 и d_г/d_п 8;
фиг. 3 зависимость величины показателя степени при Рейнольдсе от пористости пористых вставок теплопередающих объектов, параметры которых представлены в таблице;
фиг. 4 области характера течения теплоносителя по пористо-проницаемым структурам в зависимости от их пористости ε
Технико-экономиические и другие преимущества предлагаемого технического решения, безусловно, определяются его сущностью, детально представленной выше, но при этом уместно подчеркнуть, что выявленная здесь фильтрационно-ламинарновихревая область течения теплоносителей по пористо-проницаемым структурам сулит пока неиспользованные, определенные и ценные преимущества при производстве компактных рекуперативных теплопередающих устройств, которые, как показали сравнительные расчеты, и без использования указанной области в равных условиях, например, с обычными пластинчатыми рекуператорами, в 10 20 раз имеют выше реализуемый коэффициент теплопередачи K, в 4 6 раз меньшие габариты и в 3 5 раз меньшую массу.

Кроме этого, благодаря высоким вышеприведенным техническим характеристикам изделия, использующие предлагаемое будут иметь и чисто экономическое преимущество, хотя бы потому, что они менее материалоемкие и, по-видимому, будут производиться по более простой и дешевой технологии.

Источники, принятые во внимание при составлении заявки
1. Белов С. В. Пористые металлы в машииностроении. М. Машиностроение, 1976.

2. Семена М. Г. и др. О каркасной теплопроводности в изделиях. ИФЖ, т. 31, 581, 1976.

3. Майоров В.А. Течение и теплообмен однофазного охладителя в пористых металлокерамических материалах. Теплоэнергетика, N 1, 64, 1978.

4. Майоров В. А. Поляков В.М. и др. Пористые теплообменные элементы-классификация, конструкция, применение. ИФЖ, М3, т. 47, 499, 1984.

5. Истеуров Е. А. Исследование гидродинамиических и фильтрационных характеристик упругого металла МР (металлорезина). Куйбышев, КАИ, 1974.

6. Патент РФ N 1758383 от 31.12.1992.

7. Заявка N 4934817 от 07.05.1991, положительное решение от 27.04.1992.

8. Заявка N 5035212 от 31.03.1992.

Формула изобретения

1. Способ изготовления каркасно-спеченной пористопроницаемой структуры наполнителей-инсенсификаторов рекуперативных теплопередающих устройств из металлорезины сформированной из проволочных спиралей выбранных материалов и спрессованой требуемой конфигурации, а затем спеченной, отличающийся тем, что после ее спекания каркасно-спеченная пористопроницаемая структура находится в одной из трех возможных областей:
с фильтрационно-ламинарным режимом течения теплоносителя по структуре, область которой ограничена линиями:
функциональными
а также абсциссой d_г/d_п 8 и ординатой ε 0,951, при 0 < ε < 0,951;
с фильтрационно-ламинарновихревым режимом течения теплоносителя по структуре, область которой ограничена линиями: функцией абсциссой d_г/d_п 8 и ординатой e = 0,951, при 0,889 < ε < 0,951;
с турбулентно-переходно-ламинарным режимом течения теплоносителя по структуре, в зависимости от скорости его течения, область которой ограничена ординатой ε = 0,951, при 0,951 < ε < 1.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после спекания структуры из исходной металлорезины в ней отношение гидравлического диаметра структуры d_г к диаметру проволоки спирали d_п меньше восьми

когда пористость в структуре варьируется в пределах 0 < ε < 0,951, при этом в структуре устойчиво реализуется фильтрационно-ламинарный режим течения теплоносителя, при котором в критерии теплообмена Нуссельте, являющимся здесь сложной функцией от пористости структуры ε и критерия движения Рейнольдса Re, степень при Рейнольдсе η = 1,59(1-ε^13,9).
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после спекания структуры из исходной металлорезины в ней отношение d_г/d_п > 8 при 0 < d_n/2h < 0,075 и ∞ > h/d_n> 6,666, когда пористость в структуре варьируется в пределах 0,889 < ε < 0,951, при этом в структуре реализуется фильтрационно-ламинарновихревой режим течения теплоносителя, при котором в критерии теплообмена Нуссельте степень при Рейнольдсе η ≃ 1.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после спекания структуры из исходной металлорезины пористость в структуре варьируется в пределах 0,951 < ε < 1 в отсутствии фильтрации теплоносителя, т.е. это безфильтрационная зона, при этом в ней каналы трактов рекуперативных теплопередающих устройств становятся незначительно заполненными наполнителями и в них реализуются обычные канальные режимы течения теплоносителя: турбулентный (η = 0,8), переходный (0,8 < η < 1,8) и ламинарный (0,2 ≅ η ≅ 0,33) в зависимости от скорости течения теплоносителя.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после спекания структуры из исходной металлорезины в ней отношение d_г/d_п и ее пористость ε являются требуемыми и при этом выполняются отношения h/d_п ≥ 7 и d_п/2h ≅ 0,07, причем при выполнении здесь равенства, реализауется еще допустимая структура наполнителя и, кроме этого, для предельной компактности рекуператоров и технологичности их исполнения, высота щелевых каналов их трактов, или, что то же самое, толщина наполнителей h в относительном выражении находится в интервале 1 ≅ h ≅ 1,5 и в крайних случаях здесь возможно повышение верхнего предела.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5