Justification of the Flow Characteristics of the Recuperator for the Thermal Preparation of Machinery and Equipment Units

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 22 № 4 2020 84 ОБОРУДОВАНИЕ . ИНСТРУМЕНТЫ Эффективность рекуператора зависит от геометрических параметров его конструкции , а также от расходных характеристик подаваемых в него теплоносителя и газов . Для расчета кон - структивных и расходных характеристик тепло - обменных устройств применяются аналитиче - ские методы , однако в последнее время одним из наиболее распространенных методов исследова - ния стало имитационное моделирование [10]. Имитационное моделирование является мощным средством для исследования тепло - обменных устройств . Программный комплекс SolidWorks и его приложение Flow Simulation дает возможность при относительно небольших временных затратах проводить расчеты в ста - ционарном и нестационарном режиме . Создава - емые модели позволяют визуально оценить те - пловое поле рекуператора и при необходимости провести оптимизацию конструкции . Моделиро - вание позволяет определить влияние расходных характеристик на температуру теплоносителя на выходе из рекуператора , что дает возможность выбрать предпочтительные значения производи - тельности насоса . Целью данной работы является обоснова - ние расходных характеристик питающего насоса рекуператора посредством создания компьютер - ной модели рекуператора и имитационного мо - делирования тепловых процессов . Для достижения поставленной цели необхо - димо : 1) построить твердотельную модель рекупе - ратора ; 2) определить исходные данные и граничные условия для моделирования тепловых процессов и провести его в стационарном и нестационар - ном режиме ; 3) определить температуру теплоносителя при разных значениях расходных параметров насоса теплоносителя ; 4) провести оценку эффективности работы рекуператора . Методика исследований В качестве программной среды моделиро - вания в данной работе был выбран SolidWorks Flow Simulation, широко применяемый для мо - делирования тепловых процессов [11–13]. В основе моделирования тепловых процессов , а также течения жидкостей и газов лежат тех - нологии вычислительной гидрогазодинамики (Computational Fluid Dynamics (CFD)), которые отражают функционирование реальных систем и процессов во времени [14]. Необходимо от - метить , что данный математический аппарат применяется не только в SolidWorks Flow Simu- lation, но и в других средствах моделирования , где целью стоят расчеты теплопередачи , излу - чения и теплопроводности [15, 16], а приложе - ние Flow Simulation также применяется и для решения других задач [17–20]. Основой для мо - делирования движения потока служит уравне - ние Навье – Стокса [21, 22] 2 1 ( ) u u u p v u F t                 , (1) где  – оператор набла ( векторный дифферен - циальный оператор , через который выражаются основные операции векторного анализа ); t – вре - мя ; ν – коэффициент кинематической вязкости ; ρ – плотность ; p – давление ; 1 ( , ..., )  n u u u  – векторное поле скорости ; F  – векторное поле массовых сил . Уравнение Навье – Стокса является интер - претацией законов сохранения массы , импуль - са и энергии для потока жидкости или газа . В SolidWorks Flow Simulation оно дополнено вы - ражениями состояния жидкости , например эм - пирическими зависимостями плотности , вязко - сти и теплопроводности от температуры , а также уравнениями геометрии потока . Базовым уравнением для описания процесса теплоотдачи от газа или жидкости твердому телу является уравнение Ньютона – Рихмана ( )    S f Q S T T , (2) где Q – количество теплоты , которое отводится от поверхности нагреваемого или охлаждаемого тела , Вт ;  – коэффициент теплоотдачи , Вт / м 2 · К ; S – площадь поверхности , м 2 ; ( )  S f T T – темпе - ратурный напор , К . Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов : формы , размера тел , режимов движе - ния жидкостей , их физических свойств , положе - ния в пространстве , состояния поверхности . Величину  при конвективном теплообмене определяют по формуле