канд. техн. наук, профессор
г. Ярославль 150023
PhD (Eng), professor
Yaroslavl 150023
аспирант
г. Ярославль 150023
postgraduate
Yaroslavl 150023
канд. хим. наук, старший научный сотрудник
г. Ярославль 150007
PhD (Chem), senior researcher
Yaroslavl 150007
Введение. Снижение температур теплонагруженных деталей форсированных перспективных дизелей для повышения их надёжности требует увеличения интенсивности теплоотдачи в их полостях охлаждения. Для этого были созданы теплоносители с увеличенным коэффициентом теплопроводности, представляющие собой устойчивые стабильные двухфазные суспензии на основе водного раствора этиленгликоля и твёрдых наночастиц мультиграфена с высоким коэффициентом теплопроводности.
Цель исследования – численное и экспериментальное определение влияния на теплоотдачу повышенного коэффициента теплопроводности двухфазных теплоносителей «базовая жидкость твёрдые наночастицы мультиграфена» при режимных условиях, характерных при работе системы охлаждения двигателя, которые моделировались на экспериментальной установке и с использованием компьютерного CFD-моделирования. Коэффициенты теплоотдачи от нагретой стенки к базовой жидкости и к двухфазному теплоносителю при повышенном его коэффициенте теплопроводности сравнивались между собой при одинаковых условиях испытания.
Методология и методы. На экспериментальной установке, работающей в условиях стационарного режима теплообмена, измерялись температуры жидкости и металлической стенки испытательной секции. При этом обеспечивалась неизменность параметров, которые имеют место в системах охлаждения двигателей: схема омывания нагретой стенки, конструктивные особенности полости охлаждения, искусственная турбулизация потока жидкости и пр. При определении трёхмерных полей скоростей охлаждающей жидкости по длине испытуемой секции, а также температур жидкости и стенки в любой точке расчётной модели выполнялась численная оценка коэффициента теплоотдачи для теплоносителей компьютерным моделированием по методу вычислительной гидродинамики (CFD).
Результаты. Установлено влияние на теплоотдачу повышенного коэффициента теплопроводности теплоносителей с частицами мультиграфена. Наличие наночастиц мультиграфена в суспензии, имеющей коэффициент теплопроводности 0,85 Вт/м·К, привело к увеличению интенсивности теплоотдачи на 30% по сравнению с базовой жидкостью. Полученные экспериментальные результаты были обработаны в числах подобия, что позволило получить критериальное уравнение для теплоотдачи при вынужденной конвекции и турбулентном режиме течения суспензий «жидкость – твёрдые частицы».
Научная новизна обусловлена получением новых данных по теплоотдаче от нагретой стенки к двухфазным теплоносителям «базовая жидкость – твёрдые наночастицы мультиграфена», а также предложением нового критериального уравнения для расчёта интенсивности теплоотдачи в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания при применении таких двухфазных теплоносителей с увеличенным коэффициентом теплопроводности.
Практическая значимость результатов работы заключается в повышении надёжности и обеспечении работоспособности перспективных форсированных двигателей за счёт снижения высоких температур деталей, ограничивающих камеру сгорания. Повышение интенсивности теплоотдачи в систему охлаждения позволит снизить объём охлаждающей жидкости в контуре и улучшить массогабаритные и теплоэнергетические характеристики теплообменных аппаратов системы.
Introduction. In order to lower the temperatures of forced advanced diesel engines parts and thus increase their reliability an increase in the intensity of thermal conductivity in their cooling cavities is required. For this purpose heat carriers with an increased coefficient of thermal conductivity were created, which were stable two-phase suspensions based on an aqueous solution of ethylene glycol and solid multigraphene nanoparticles with a high coefficient of thermal conductivity.
The purpose of the study was to numerically and experimentally determine the effect of the increased heat conductivity coefficient of two-phase heat carriers “base fluid – solid nanoparticles of multigraphene” on the heat transfer under operating conditions typical of the engine cooling system operation. These conditions were simulated on an experimental setup with CFD-computer modelling. The increased coefficients of thermal conductivity from the heated wall to the base fluid and to the two-phase coolant were compared under the same test conditions. The increased coefficients of thermal conductivity from the heated wall to the base fluid and to the two-phase coolant were compared under the same test conditions. Methodology and research methods. The temperatures of the liquid and the metal wall of the test section were measured on the experimental setup operating in a stationary heat transfer mode. At the same time, the parameters that occured in the engine cooling systems such as: the heated wall washer circuit, design features of the cooling cavity, artificial turbulization of the fluid flow, etc., – were unchanged. When determining three-dimensional fields of coolant velocities along the length of the tested section, as well as fluid and wall temperatures in at any point of the computational model, a numerical estimate of the heat transfer coefficient for coolants was carried out by computer simulation and by computational fluid dynamics (CFD).
Results. The effect on the heat transfer of the increased coefficient of thermal conductivity of multigraph particles heat carriers has been established. The presence of multigraphene nanoparticles in a suspension having a thermal conductivity coefficient of 0.85 W/m·K led to an increase in heat transfer intensity by 30% compared with the base liquid. The obtained experimental results were processed in similarity numbers, which made it possible to obtain the criterion equation for heat transfer under forced convection and turbulent flow of suspensions “liquid – solid particles”.
Scientific novelty is due to the receipt of new data on heat transfer from a heated wall to two-phase heat carriers “base fluid – solid nanoparticles of multigraphene”, as well as the receipt of a new criterion equation for calculating the heat transfer intensity in the cooling systems of internal combustion engines when using such two-phase heat carriers with an increased thermal conductivity.
The practical significance of the results of the work is to increase the reliability and ensure the operability of promising forced engines by reducing the high temperatures of the parts that surrounded and limited the combustion chamber. Heat transfer intensification in the cooling system will reduce the volume of coolant in the circuit and improve the overall dimensions and heat and power characteristics of the heat exchangers of the system.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.