Теплообменная поверхность

Изобретение относится к теплоэнергетике, конкретно к теплообменным аппаратам, системам охлаждения промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей, и позволяет повысить эффективность охлаждения теплонапряженных элементов, увеличить ресурс их работы при упрощении технологии изготовления и снижении затрат в процессе производства. Теплообменная поверхность (1) содержит «отрывные» выемки (2) с переменной глубиной и шириной, каждая из которых в их продольной плоскости симметрии, в направлении движения внешнего потока теплоносителя, выполнена из двух плавно соединяющихся в донной части (14) входного диффузорного (7) и выходного конфузорного (8) участков. Выемки (2) в плане выполнены конфузорной формы от их входных (3) до выходных (4) кромок, соединенных боковыми стенками (5) и (6) с углом конфузорности между ними α=30°, а продольная плоскость симметрии выемок повернута на угол β=30°…45° относительно направления движения вышеупомянутого внешнего потока теплоносителя. Входной диффузорный участок (7) занимает 1/3 длины выемки (2) L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой (3) выемки по ее периметру радиусом Rвх=h, при этом отношение максимальной глубины выемки (2) к гидравлическому диаметру dг в плане h/dг на этом участке увеличивается от нуля до 0,44, выходной конфузорный участок (8) наклонен под углом γ=22° к исходно гладкой теплообменной поверхности (1), имеет протяженность, равную (2/3)L, соединен скруглением с выходной кромкой (4) выемки (2) по ее периметру радиусом Rвых=0,25Rвх, а величина h/dг на этом участке уменьшается от 0,44 до нуля. Боковые стенки выемок и соединяющая их донная часть выполнены вогнутыми с радиусом кривизны R ≈ (4…6)Rвх. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к теплообменным аппаратам, системам охлаждения турбинных лопаток промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по определению рациональной формы выемок - интенсификаторов теплообмена, обеспечивающих, наряду с высокой теплоотдачей и сравнительно небольшими гидравлическими потерями, упрощение технологии изготовления теплообменной поверхности и удешевление процесса производства. Также большое внимание уделяется расположению выемок на теплообменной поверхности относительно направления движения потока и относительно друг друга.

Известно, что в теплоэнергетических установках для интенсификации конвективного теплообмена в системах охлаждения рабочих элементов наиболее целесообразно использовать «отрывные» выемки. Основным отличительным признаком «отрывных» выемок является их относительная глубина h/dг, где h - максимальная глубина выемки, dг=4F/П - гидравлический диаметр выемки в плане. Здесь F - площадь выемки в плане, а П - ее периметр. «Отрывная» выемка (h/dг>0,2) создает самоорганизующиеся крупномасштабные вихревые структуры (СКВС), увеличивающие теплоотдачу и гидравлические потери: (см. монографию «Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов» / А.В. Щукин, А.П. Козлов, Р.С. Агачев, Я.П. Чудновский; под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан, гос. Техн. Ун-та, 2003. - 143 с.

Известна работа по исследованию единичной асимметрично расположенной относительно движения внешнего потока теплоносителя овальной «отрывной» выемки: Воропаев Г.А., Воскобойник А.В., Воскобойник Г.А, Исаев С.А. Визуализация ламинарного обтекания овального углубления // Прикладна гiдромеханiка. 2009. Том 11, №4. С. 31-46. Проведенные в этой работе эксперименты с различными углами β установки овальной «отрывной» выемки при ламинарном режиме течения набегающего внешнего потока теплоносителя при числе Рейнольдса Red=4⋅103 показали, что наибольшая теплогидравлическая эффективность и формирование устойчивых вихревых структур в закромочном следе выемки обеспечиваются при β=60° относительно направления набегающего потока.

В данной работе рассматривается ламинарный режим движения набегающего потока на овальную «отрывную» выемку, не соответствующий условиям, возникающим в системах охлаждения теплообменных аппаратов и, особенно, в системах охлаждения лопаток турбин промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей, где режим течения охладителя - турбулентный, а число Рейнольдса может достигать значений Red=(40…80)⋅103 и более.

Известна работа по исследованию установленных ассиметрично относительно их продольной плоскости симметрии «отрывных» выемок овально-траншейного типа, используемых для интенсификации теплоотдачи на турбулентных режимах течения: Щелчков А.В. «Физическое и численное моделирование интенсификации теплообмена поверхностными генераторами вихрей в трактах систем охлаждения»: Автореф… дис. д-ра техн. наук. - Казань: КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2017. - 65 с. Проведенные в работе испытания элементов кожухотрубных теплообменных аппаратов транспортного оборудования в диапазоне чисел Red=4⋅103…2⋅104 с овально-траншейными выемками, установленными под углом β=45° к набегающему потоку, показали следующее. Предложенная овально-траншейная форма выемок относительно большого удлинения (lk/b=5,57 и lk/b=6,78, где lk - длина вдоль оси, a b - ширина овально-траншейной выемки), наклоненная к потоку в плане под углом β=45°, генерирует спиралевидную вихревую структуру с максимальной скоростью вторичного течения в канале порядка 80…100% от характерной (максимальной или среднемассовой скорости потока). Такой характер течения в интенсификаторах овально-траншейной формы в плане позволяет в два раза повысить относительную теплоотдачу, но только лишь в отрывной зоне, расположенной в верховье овально-траншейной выемки при увеличении в полтора раза абсолютной величины относительного трения.

Нанесение на теплообменную поверхность охлаждаемых лопаток турбин промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей асимметричных «отрывных» овально-траншейных выемок относительно большого удлинения приведет к образованию местных концентраторов напряжений и к снижению прочности материала турбинных лопаток, воспринимающих большие тепловые, динамические и вибрационные нагрузки.

Известна теплообменная поверхность с симметрично расположенными относительно ее продольной плоскости симметрии двухполостными диффузорными выемками (ДДВ): Патент №2569540 Российская Федерация, МПК F28F 3/00; F15D 1/10; опубл. 27.11.2015.

Каждая ДДВ представляет собой выемку с переменной глубиной и шириной, уменьшающимися в направлении движения основного потока теплоносителя, в которой выполнено ребро, расположенное вдоль основного потока в верхней по потоку части и образующее в возвратном течении две диффузорные полости внутри этой выемки, симметрично расположенные относительно ее ребра и ее продольной плоскости симметрии. При обтекании выемки внешним потоком в каждой из ее двух полостей происходит непрерывная во времени самоорганизация СКВС. Возвратное течение в обеих полостях приобретает диффузорный характер за счет диффузорной формы каналов, что приводит к повышению неустойчивости возвратного течения, интенсификации возникновения СКВС и интенсификации теплообмена в ДДВ.

Результаты экспериментального исследования как единичных моделей ДДВ, так и матрицы теплообменной поверхности с рельефом в виде ДДВ приведены в работе: Хабибуллин И.И. «Интенсификация теплообмена двухполостными диффузорными выемками»: Автореф…дис. канд. техн. наук. - Казань: КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2016. - 20 с. Полученные опытные данные показали сравнительно высокий уровень интенсификации теплоотдачи при использовании ДДВ, которые позволяют увеличить теплоотдачу более чем в 3 раза по сравнению с гладкой пластиной при высокой энергетической эффективности интенсификации теплообмена.

Технологичность изготовления таких выемок на теплообменной поверхности не высока, особенно при выполнении ребра, расположенного во внутренней полости ДДВ. Кроме того, наличие ребра, обтекаемого высокотемпературным потоком, может привести к возникновению повышенных температурных напряжений в этой зоне и к его тепловой деформации. В результате произойдет нарушение гидродинамических процессов образования и развития СКВС и, как следствие, снижение интенсификации теплообмена.

Известна теплообменная поверхность с интенсификаторами теплообмена, выполненными в виде «отрывных» сферических выемок, наиболее близкая по технической сущности к заявляемому изобретению и принятая за прототип. Происходящие в «отрывных» сферических выемках физические процессы и результаты их внедрения опубликованы в монографии «Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена»: монография / Ю.Ф. Гортышов, И.А. Попов, В.В. Олимпиев, А.В. Щелчков, С.И. Каськов; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. - Казань: Центр инновационных технологий, 2009. - 531 с.

Технология изготовления этих выемок наиболее проста по сравнению с другими формами выемок, отработана и не требует значительных финансовых затрат.

Результаты экспериментального и теоретического исследования гидродинамических процессов в «отрывных» сферических выемках показывают, что в выемках этого типа существует одна СКВС, которая возникает последовательно то в одном, то в другом эпицентре выемки. Имеет место дискретный во времени характер выхода этих вихревых структур из сферических выемок на исходно гладкую плоскую теплообменную поверхность между выемками. В результате примерно 45% времени вихрь существует в одном эпицентре, 45% времени - в другом, и около 10% времени занимает процесс переброски вихревой структуры из одного эпицентра в другой.

Авторы многочисленных исследований считают, что причиной образования СКВС в «отрывных» сферических выемках является неустойчивость образующегося на вогнутой поверхности выемки пограничного слоя. Активное воздействие центробежных массовых сил приводит к образованию в ламинарном подслое микровихрей Тэйлора-Гертлера, которые провоцируют дискретно возникающие в выемке смерчеобразные структуры.

Отсюда следует, что основной причиной интенсификации теплообмена на плоских участках поверхности между выемками являются эти СКВС, выходящие из выемок и присоединяющиеся к поверхности за выемкой.

В «отрывных» сферических выемках скорость возвратного течения мала и отсутствуют факторы, интенсифицирующие конвективный процесс переноса теплоты. Это приводит к тому, что коэффициент теплоотдачи в выемках ниже, чем при обтекании исходно гладкой поверхности. Кроме того, эффективность повышения теплоотдачи в «отрывных» сферических выемках значительно ниже, чем в ДДВ.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности интенсификации конвективного теплообмена в теплообменниках различного типа, в системах охлаждения турбинных лопаток промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении теплоотдачи около теплообменной поверхности в «отрывных» конфузорных выемках (далее по тексту - выемках) асимметрично установленных относительно движения внешнего потока теплоносителя, обладающих возможностью непрерывной генерации СКВС внутри выемки, при более простой и дешевой технологии изготовления. Это позволит повысить эффективность охлаждения теплонапряженных элементов, увеличить ресурс их работы при упрощении технологии изготовления и снижении затрат в процессе производства.

Технический результат достигается тем, что на теплообменной поверхности, содержащей «отрывные» выемки с переменной глубиной и шириной, каждая из которых в их продольной плоскости симметрии, в направлении движения внешнего потока теплоносителя, выполнена из двух плавно соединяющихся в донной части входного диффузорного и выходного конфузорного участков, новым является то, что выемки в плане выполнены конфузорной формы от их входных до выходных кромок, соединенных боковыми стенками, при этом продольная плоскость симметрии выемок повернута на угол β=30°…45° относительно направления движения вышеупомянутого внешнего потока теплоносителя.

Входной диффузорный участок занимает 1/3 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвх=h, при этом отношение максимальной глубины выемки к гидравлическому диаметру dг в плане h/dг на этом участке увеличивается от нуля до 0,44, выходной конфузорный участок имеет протяженность, равную (2/3)L, соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвых=0,25Rвх, а величина h/dг на этом участке уменьшается от 0,44 до нуля.

Выходной конфузорный участок выемки в донной части наклонен под углом γ=22° к ее исходно гладкой поверхности.

Угол конфузорности между боковыми стенками выемок в направлении от входной к выходной кромкам составляет α=30°.

Боковые стенки выемок и соединяющая их донная часть выполнены вогнутыми с радиусом кривизны R ≈ (4…6)Rвх.

Предложенное изобретение представлено на фиг. 1-4 где:

Фиг. 1. - 3D модель выемки на теплообменной поверхности;

Фиг. 2 - выемка на теплообменной поверхности в плане;

Фиг. 3 - сечение А-А в продольной плоскости симметрии выемки;

Фиг. 4. - значения относительного числа Нуссельта (Nu/Nuгл), характеризующие интенсификацию теплообмена относительно исходно гладкой поверхности при использовании «отрывных» выемок: сферических; конфузорных; ДДВ (расположенных слева направо).

На фиг. 1-3 большими стрелками показано направление движения внешнего потока теплоносителя, а малыми стрелками обозначено движение части внешнего потока теплоносителя, попадающего внутрь выемок.

Где:

1 - теплообменная поверхность.

2 - выемка.

3 - входная кромка выемки по направлению движения внешнего потока теплоносителя.

4 - выходная кромка выемки по направлению движения внешнего потока теплоносителя.

5 - левая (по направлению движения внешнего потока теплоносителя) боковая стенка выемки, соединяющая ее входную и выходную кромки.

6 - правая (по направлению движения внешнего потока теплоносителя) боковая стенка выемки, соединяющая ее входную и выходную кромки.

7 - входной диффузорный участок выемки в ее продольной плоскости симметрии.

8 - выходной конфузорный участок выемки в ее продольной плоскости симметрии.

9 - часть внешнего потока теплоносителя, попадающего внутрь выемки и обтекающего поверхность входного диффузорного участка в направлении, совпадающим с направлением движения внешнего потока теплоносителя.

10 - «отрывной» поток, генерирующийся на входном участке и попадающий внутрь выемки на выходном участке.

11 - спутный поток, формирующийся на выходном участке выемки, в направлении движения внешнего потока теплоносителя.

12 - возвратный поток, формирующийся на выходном участке выемки в ее донной части, в направлении противоположном движению внешнего потока теплоносителя.

13 - СКВС, возникающая в области разрежения на стенке входного участка выемки и формирующая спутный поток, покидающий выемку в направлении движения внешнего потока теплоносителя.

14 - донная часть выемки, образованная плавно соединяющимися входным 7 и выходным 8 участками.

Б - область отрыва потока в области угловой точки между исходно гладкой поверхностью и входным участком выемки.

В - область присоединения части внешнего потока теплоносителя на выходном участке выемки, где формируется возвратное диффузорное течение.

Г- эпицентр образования СКВС на дне выемки.

L - длина выемки.

h - максимальная глубина выемки.

Rвх - радиус входной кромки выемки.

Rвых - радиус выходной кромки выемки.

α=30° - угол конфузорности выемки в плане по направлению движения внешнего потока теплоносителя.

β=30…45° - угол установки продольной плоскости симметрии выемки относительно направления движения внешнего потока теплоносителя.

γ=22° - угол наклона выходного участка в донной части выемки к направлению движения внешнего потока теплоносителя в продольной плоскости симметрии выемки.

w0 - скорость внешнего потока теплоносителя.

Теплообменная поверхность работает следующим образом.

При подаче воздуха, другого газа или жидкости на теплообменную поверхность 1 (фиг. 1-3) матрицы, на которой расположены «отрывные» выемки 2 конфузорной формы в плане и имеющие переменную глубину и ширину происходят следующие гидродинамические процессы. Внешний поток теплоносителя движется вдоль матрицы с выемками 2 в направлении, указанном большими стрелками. Структура этого потока определяется формой выемок 2 и режимными условиями их обтекания.

Часть внешнего потока теплоносителя 9 (используется обозначение маленькими стрелками) поступает в выемку 2 (фиг. 3) через ее входную кромку 3 (фиг. 1, 2) и обтекает входной диффузорный участок 7 (фиг. 3), попадая в зону максимальной глубины выемки, подпитывая своей кинетической энергией СКВС 13 (фиг. 2, 3), возникающую в этой области.

Другая часть внешнего потока теплоносителя 10 (фиг. 3), попадая во входной диффузорный участок 7 непосредственно за линией входной кромки 3 (фиг. 1, 2), генерирует поток, область отрыва которого на фиг.2, 3 обозначена буквой (Б). Присоединение потока 10 происходит в области выходного участка 8 (фиг. 3) около выходной кромки 4 (фиг. 1, 2). Область присоединения потока 10 обозначена буквой (В).

После присоединения поток 10 делится на две части. Одна его часть образует спутный поток 11 (фиг. 3), покидающий выемку 2 в направлении движения внешнего потока теплоносителя. Другая часть потока 10 разворачивается примерно на 180° и течет в обратном направлении вдоль левой боковой стенки 5 (фиг. 1, 2) выемки 2, формируя возвратный поток 12 (фиг. 2, 3). Известно (см. монографию «Конвективный теплообмен при струйном обтекании тел» / Е.П. Дыбан, А.И. Мазур. - Киев: Наукова думка, 1982. - 303 с), что на этом участке от области присоединения (В) по ходу возвратного течения вдоль левой боковой стенки 5 (фиг. 2) и выходного участка 8 (фиг. 3) выемки 2 значение скорости возвратного потока теплоносителя 12 при увеличении расстояния от области присоединения (В) сначала увеличивается, а потом уменьшается, что свойственно потокам и струям после присоединения к обтекаемой поверхности. В нашем случае снижение скорости возвратного течения обусловлено как релаксацией присоединяющегося к поверхности потока, так и диффузорной формой канала при возвратном течении потока 12.

У донной поверхности 14 (см. фиг. 1, 2) выемки 2 возвратный поток 12 (см. фиг. 2, 3) направляется к эпицентру образования СКВС 13, обозначенному буквой (Г), где эти вихревые структуры 13 генерируются во времени непрерывно, что является принципиальным и важнейшим для достижения технического результата изобретения фактором, отличающим заявляемую схему выемки от прототипа, где эти СКВС образуются дискретно во времени, с чередующейся сменой местоположения эпицентров СКВС.

Как было отмечено выше, движение возвратного потока 12 (см. фиг. 2 и 3) происходит как вдоль левой боковой стенки 5, так и непосредственно вдоль донной части 14 выемки 2. Левая 5 и правая 6 боковые стенки формируют конфузорность выемки 2 в плане и расположены под углом α=30° друг к другу. Скругление выходной кромки (см. фиг. 2 и 3) радиусом Rвых=0,25Rвх способствует формированию возвратного потока 12. В этом случае СКВС 13 в процессе своего непрерывного функционирования охватывает практически всю площадь поверхности входного участка 7 выемки 2. Мощность и интенсивность этих СКВС 13 во многом определяется наличием микроотрывов и микропулсаций в пристенном слое возвратного потока 12 в выемке.

В заявляемом изобретении для генерации этих пристенных возмущений предусмотрены диффузорная форма полости выемки 2 для возвратного потока 12 (см. фиг. 2, 3), образуемая боковыми левой 5 и правой 6 стенками и донной поверхностью 14, а также их вогнутой формой с радиусом кривизны R≈(4…6)Rвх. Значение радиуса кривизны R задано исходя из условия образования на боковых стенках 5 и 6 выемок 2 и их донной части 14 микровихрей Тэйлора-Гертлера, которые поглощаются СКВС и увеличивают их мощность и интенсивность теплообмена. Для этого выходной участок 8 выемки 2 в донной ее части наклонен под углом γ=22° к ее исходно гладкой поверхности 1. Асимметричное расположение эпицентра СКВС в точке «Г» на донной части 14 выемки 2 относительно продольной плоскости симметрии связано с асимметричностью расположения этой продольной плоскости симметрии выемки относительно внешнего потока, что приводит к возникновению сил инерции в возвратном течении, смещающих эпицентр СКВС в сторону от продольной плоскости симметрии выемки.

Длина L предложенной «отрывной» конфузорной выемки 2 (фиг. 2, 3) выбрана исходя из результатов проведенных авторами экспериментов, на основе которых предопределено присоединение оторвавшегося на входном диффузорном участке 7 непосредственно за линией входной кромки 3 потока 10 теплоносителя в пределах выходного конфузорного участка 8 около выходной кромки 4 выемки 2. Этим же условиям удовлетворяют выбранные в продольной плоскости симметрии выемки 2 продольные размеры входного диффузорного 7 и выходного конфузорного 8 участков. Входной диффузорный участок 7 занимает 1/3 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой 3 выемки 2 по ее периметру радиусом Rвх=h, при этом отношение максимальной глубины выемки 2 к гидравлическому диаметру dг в плане h/dг на этом участке увеличивается от нуля до 0,44. Выходной конфузорный участок имеет протяженность, равную (2/3)L, соединен скруглением с выходной кромкой 4 выемки 2 по ее периметру радиусом Rвых=0,25Rвх, а величина h/dг на этом участке уменьшается от 0,44 до нуля.

Экспериментально было исследовано влияние величины угла Р (см. фиг. 2) установки продольной плоскости симметрии выемки относительно направления движения внешнего потока теплоносителя на процесс возникновения на входном участке 7 (см. фиг. 3) выемки 2 непрерывно действующей во времени СКВС 13. Опыты проводились при следующих значениях углов: β=0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 90°. Во всех случаях угол конфузорности выемки в плане по направлению движения основного потока теплоносителя оставался постоянным и составлял α=30°. Сравнительные эксперименты проводились при числе Рейнольдса, рассчитанном по гидравлическому диаметру dг выемки в плане: Red=w0ρdг/μ=2,7⋅104. Анализ результатов экспериментального исследования осуществлялся по величине коэффициента давления Ср, который определялся по формуле

Сp=(pi-p0)/(ρ0w20)/2,

где pi и р0 - статическое давление в i-й точке поверхности выемки и статическое давление перед выемкой; ρ0 и w0 - плотность и скорость внешнего потока теплоносителя. Результаты сравнительного анализа полученных опытных данных показали, что оптимальным углом установки выемки как с точки зрения генерации наиболее мощной СКВС и обеспечения более высокого разряжения в области ее эпицентра на поверхности входного участка у входной кромки, так и размещения зоны присоединения потока к донной поверхности выходного участка до выходной кромки, а также умеренного роста гидравлических потерь на диффузорных участках является угол β=30…45°. В этом случае коэффициент давления достигает значения Ср ≈ (- 0,4), что характеризует наиболее высокий уровень разрежения в области СКВС. Уменьшение угла установки продольной плоскости симметрии выемки от выбранного авторами изобретения рационального диапазона изменения значения 30°<β<45° до значения β=0° приводит к снижению мощности СКВС. В области же более высоких значений углов β относительно указанного выше диапазона выбранных значений β увеличивается гидравлическое сопротивление обтекания матрицы с предложенными авторами изобретения выемками.

Как показали эксперименты, проведенные авторами изобретения, при числе Рейнольдса Red<1,5⋅104 мощность СКВС, судя по значениям коэффициента давления Ср, снижается в несколько раз. Этот результат позволяет установить нижний предел числа Рейнольдса по применимости предлагаемого интенсификатора теплообмена. Верхний предел его использования в практически важном диапазоне эксплуатации в системах охлаждения двигателей и энергетических установок различного назначения не существует, поскольку примерно при Red>2⋅104 наступает автомодельный режим по числу Рейнольдса с его стабильными режимными параметрами и при более высоких значениях Re.

Анализ гидродинамических экспериментов показал, что предлагаемое изобретение позволяет снизить по сравнению с ДДВ гидравлические потери примерно в 1,2…1,3 раза. Кроме этого, предлагаемое изобретение позволяет существенно повысить теплоотдачу в «отрывных» конфузорных выемках по сравнению со сферическими «отрывными» выемками, выбранными в качестве прототипа. Установленный факт высокого уровня разрежения на поверхности выемки в области эпицентра СКВС способствует генерации интенсивного массообмена между выемкой и обтекающим ее внешним потоком теплоносителя. Опыты показали (см. фиг. 4), что прирост теплоотдачи достигает примерно двукратного значения по сравнению с теплоотдачей на исходной гладкой пластине (на графике величина этой теплоотдачи принята за 1) с учетом увеличения площади теплообмена при одинаковых входных условиях и числах Рейнольдса. Отметим, что при обтекании «отрывных» сферических выемок при прочих равных условиях этот прирост составляет 2…2,3 раза, а в ДДВ - 3,5…3,8 раза. То, что прирост теплоотдачи в «отрывной» конфузорной выемке несколько меньше, чем в ДДВ, что свидетельствует о том, что основным фактором интенсивного массообмена и конвективного теплообмена в таких выемках является СКВС. Ведь доля площади поверхности, занимаемая СКВС в ДДВ несколько выше, чем в «отрывной» конфузорной выемке.

Отсюда следует вывод о том, что не следует удлинять исследованные нами образцы «отрывных» конфузорных выемок, поскольку теплоотдача при этом только уменьшится. Получается, что кроме всего прочего, предлагаемое изобретение помогает решить одну из важнейших задач совершенствования пристенных интенсификаторов теплообмена - увеличить вклад СКВС в общий прирост теплоотдачи на обтекаемой поверхности с выемками.

Таким образом, изобретение позволяет повысить теплоотдачу по сравнению с традиционными «отрывными» сферическими выемками, используя ту же технологию изготовления, которая отработана в производстве и не представляет больших затруднений, например, штамповка, фрезеровка, сверление - для теплообменников, или литье по выплавляемым моделям - для турбинных лопаток промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей. При этом прирост теплоотдачи в «отрывных» конфузорных выемках незначительно уступает ДДВ, выбранных в качестве аналога, технология изготовления которых существенно более сложная по сравнению с известными и более дешевыми технологическими процессами по причине обязательного наличия ребра-разделителя полостей. В то же время, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить гидравлические потери по сравнению с этим аналогом - теплообменной поверхностью с ДДВ, что особенно актуально в настоящее время при разработке современных вихревых генераторов, к которым предъявляется важное требование повышения теплоотдачи при меньших гидравлических потерях. Что касается прототипа, то при практически одинаковой по сложности технологии изготовления, заявляемый вариант «отрывной» конфузорной выемки примерно в полтора раза превышает уровень интенсификации теплообмена на поверхности с «отрывными» сферическими выемками при прочих равных условиях. Увеличение мощности теплового потока в выемке с меньшими гидравлическими потерями позволяет создавать компактные, энергоэффективные, более технологичные в производстве, а, следовательно, и более дешевые теплообменные поверхности конструктивных элементов в различных теплообменных аппаратах, промышленных газотурбинных энергоустановках и авиационных двигателях.

1. Теплообменная поверхность, содержащая «отрывные» выемки с переменной глубиной и шириной, каждая из которых в их продольной плоскости симметрии, в направлении движения внешнего потока теплоносителя, выполнена из двух плавно соединяющихся в донной части входного диффузорного и выходного конфузорного участков, отличающаяся тем, что выемки в плане выполнены конфузорной формы от их входных до выходных кромок, соединенных боковыми стенками, при этом продольная плоскость симметрии выемок повернута на угол β=30°…45° относительно направления движения вышеупомянутого внешнего потока теплоносителя.

2. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что входной диффузорный участок занимает 1/3 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвх=h, при этом отношение максимальной глубины выемки к гидравлическому диаметру dг в плане h/dг на этом участке увеличивается от нуля до 0,44, выходной конфузорный участок имеет протяженность, равную (2/3)L, соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвых=0,25Rвх, а величина h/dг на этом участке уменьшается от 0,44 до нуля.

3. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что выходной конфузорный участок выемки в донной части наклонен под углом γ=22° к ее исходно гладкой поверхности.

4. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что угол конфузорности между боковыми стенками выемок в направлении от входной к выходной кромкам составляет α=30°.

5. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что боковые стенки выемок и соединяющая их донная часть выполнены вогнутыми с радиусом кривизны R≈(4…6)Rвх.



 

Похожие патенты:

Материалы, компоненты, узлы и способы в соответствии с раскрытием направлены на изготовление и применение листов материала для обеспечения каналов для охлаждения посредством потока газа.

Настоящее изобретение относится к способу уменьшения скопления жидкости и замораживания в пластинчатом противоточном теплообменнике (100), содержащем пакет теплопроводящих пластин (102).

Предложены теплопередающая пластина (32) и пластинчатый теплообменник (26), содержащий такую теплопередающую пластину. Теплопередающая пластина (32) имеет первую длинную сторону (46) и вторую длинную сторону (48) и содержит распределительную область (64), переходную область (66) и теплопередающую область (54).

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. Теплообменная пластина (1) образована металлической плоской пластиной, имеющей малые неровности, образованные на ее поверхности, и получена посредством штамповки, которая осуществляется в качестве последующей обработки, плоской пластины.

Теплообменная пластина для пластинчатого теплообменника и пластинчатый теплообменник, снабженный указанной теплообменной пластиной. Теплообменная пластина содержит: отверстие (11), применяемое для образования торцевого отверстия; множество выступов (12), расположенных вокруг по меньшей мере части отверстия (11) вдоль круговой линии вокруг отверстия (11), причем множество выступов (12) проходят в направлении одной стороны плоскости (15) пластины; промежуточные части (16), расположенные между по меньшей мере двумя смежными выступами (12), причем промежуточные части (16) расположены на одной стороне плоскости (15) пластины и на заданном расстоянии от плоскости (15) пластины.

Изобретение относится к пластинчатому теплообменнику со сложенными пластинами, имеющими углубления, образующие контактные поверхности между пластинами. Для получения оптимального баланса между прочностью и условиями потока углубления расположены в виде матричной структуры с расстоянием Х1 между центрами углублений в смежных рядах и с расстоянием Х2 между центрами углублений в смежных столбцах, при этом углубления имеют окружность С и С/Х1 находится в диапазоне от 1,03 до 2,3.

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам теплообмена. Панель холодильника-излучателя содержит теплоизлучающую пластину из композиционного материала и металлические трубки для теплоносителя, размещенные между теплоизлучающей пластиной и накладками из композиционного материала.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в различных теплообменных аппаратах. Теплообменная поверхность, содержащая расположенные в коридорном или шахматном порядке, параллельными рядами основные «безотрывные» выемки, при этом выемки в плане выполнены диффузорной формы по направлению движения основного потока теплоносителя со скругленными внутренними углами, донная часть выемок в плоскости их меридионального сечения образована двумя плавно соединяющимися между собой входным и выходным участками, входной участок имеет диффузорную форму и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру, а выходной участок - конфузорной формы соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру.

Извлекающая энергию система, имеющая устройство, которое обеспечивает теплообмен и влагообмен между проходящими через него воздушными потоками, причем данное устройство имеет две или более многослойные композитные конструкции, где многослойную композитную конструкцию составляют пористая жесткая или полужесткая структура, имеющая множество отверстий, проходящих от первой поверхности до второй поверхности, которая может быть гофрированной, и полимерная пленка, содержащая сульфонированный блок-сополимер, прикрепленная, по меньшей мере, к одной из первой и второй поверхностей структуры и покрывающая вышеупомянутое множество отверстий.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при разработке блоков пластинчато-ребристых теплообменников, применяемых в криогенных установках различного назначения.

Группа изобретений относится к аэро- и гидродинамике обтекаемых тел. Способ управления конфигурацией обтекаемого тела включает придание обтекаемому телу кривизны профиля путем активизации соединенного с обтекаемым телом привода на основе сплава с эффектом памяти формы.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к теплоэнергетическим установкам, используемым для помещений, зданий, сооружений, а также в различных промышленных газотурбинных установках.

Изобретение относится к аэрогидромеханике, энергетике, задачам повышения эффективности транспорта, к медицине и другим областям. .

Изобретение относится к гидродинамике. .

Изобретение относится к судостроению и гидромашиностроению, касаясь снижения уровня колебаний давления в потоке вокруг объекта. .

Изобретение относится к транспортной технике и может быть использовано при проектировании смесителей топливных аэрозолей в авиационных и автомобильных двигателях.
Изобретение относится к области аэродинамики и может быть использовано при конструировании летательных аппаратов. .

Изобретение относится к теплоэнергетике, конкретно к теплообменным аппаратам, системам охлаждения промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей, и позволяет повысить эффективность охлаждения теплонапряженных элементов, увеличить ресурс их работы при упрощении технологии изготовления и снижении затрат в процессе производства. Теплообменная поверхность содержит «отрывные» выемки с переменной глубиной и шириной, каждая из которых в их продольной плоскости симметрии, в направлении движения внешнего потока теплоносителя, выполнена из двух плавно соединяющихся в донной части входного диффузорного и выходного конфузорного участков. Выемки в плане выполнены конфузорной формы от их входных до выходных кромок, соединенных боковыми стенками и с углом конфузорности между ними α30°, а продольная плоскость симметрии выемок повернута на угол β30°…45° относительно направления движения вышеупомянутого внешнего потока теплоносителя. Входной диффузорный участок занимает 13 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвхh, при этом отношение максимальной глубины выемки к гидравлическому диаметру dг в плане hdг на этом участке увеличивается от нуля до 0,44, выходной конфузорный участок наклонен под углом γ22° к исходно гладкой теплообменной поверхности, имеет протяженность, равную L, соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвых0,25Rвх, а величина hdг на этом участке уменьшается от 0,44 до нуля. Боковые стенки выемок и соединяющая их донная часть выполнены вогнутыми с радиусом кривизны R ≈ Rвх. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх