Сердцевина теплообменника

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в трубчато-ребристых теплообменниках. Формирование гофрированного теплообменника с трубчато-ребристой сердцевиной, такого, что направление, в котором жалюзи подрезаны и отогнуты, наклонено только в одном направлении, причем высота Н (мм) сердцевины, которая представляет собой расстояние, на которое разнесена между собой пара бачков (расстояние части пространства между парой бачков), ширина W (мм) жалюзи, изготовленных подрезкой и отгибом, в направлении основного потока текучей среды и угол θ жалюзи, изготовленных подрезкой и отгибом, заданы так, чтобы удовлетворить неравенству Н>Q_up/(Q_up-1)×ΔН, где Н обозначает высоту сердцевины теплообменника, Q_up обозначает отношение величины теплообмена на "гору" между однонаправленными ребрами и разнонаправленными ребрами в части воздушного потока, а ΔН обозначает величину увеличения области уменьшенного теплообмена в сердцевине теплообменника в результате замены разнонаправленных ребер на однонаправленные ребра. Технический результат - улучшение эффективности теплообмена. 9 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к гофрированному трубчато-ребристому теплообменнику, в котором сечение жалюзи, сформированных на ребре, задается путем подрезки и отгиба только в одном направлении.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Гофрированный теплообменник с трубчато-ребристой сердцевиной содержит ряд плоских трубок и ряд гофрированных ребер попеременно расположенных параллельно друг другу так, чтобы обеспечить поток первой текучей среды в трубках и поток второй текучей среды на внешней лицевой стороне трубок в гофрированных ребрах.

Вторая текучая среда, как правило, представляет собой газ, например, воздух.

В таком гофрированном теплообменнике с трубчато-ребристой сердцевиной, ребра, используемые в настоящее время, содержат разнонаправленные жалюзи по середине, и, по обе стороны от разнонаправленных жалюзи, жалюзи, подрезанные и подогнутые в одном наклонном направлении и жалюзи, подрезанные и подогнутые во взаимно противоположных наклонных направлениях.

Ранее, теплообменник с трубчато-ребристой сердцевиной, в котором направление жалюзи ограничено только в одном направлении, предлагался со ссылкой 1 в последующем списке литературы патента.

Теплообменник содержит однонаправленные жалюзи, расположенные под острым углом к впускному направлению воздушного потока, и которые изготовлены подрезкой и отгибом в одном направлении по всей длине ширины сердцевины. В соответствии с настоящей заявкой, указывается, что, жалюзи, изготовленные подрезкой и отгибом в одном направлении по всей длине ширины сердцевины, воздушный поток застаивается в верхней торцевой части и нижней торцевой части сердцевины.

Поэтому, в соответствии с настоящей заявкой, разделительный элемент, формирующий участок пространства, расположен между каждым из бачков, расположенных выше и ниже сердцевины и каждым из торцевых участков ребер. Описано, что застой потока воздуха в ребре уменьшается путем предоставления участка пространства для значительного уменьшения сопротивления воздушному потоку.

Список литературы

Патенты

1: Опубликованная заявка Японии №2006-266574

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

При обсуждении анализа текучей среды, экспериментов и т.п. автором настоящего изобретения было выявлено, что в сердцевине, содержащей гофрированные ребра с жалюзи, изготовленными подрезкой и отгибом в одном направлении, производительность теплообмена не может быть выше производительности сердцевины с ребрами известного типа до тех пор, пока высота сердцевины, ширина сердцевины и угол подрезки и отгиба не скорректированы.

Настоящее изобретение разработано исходя из этих сведений.

Решение проблемы

Настоящее изобретение в соответствии с п. 1. формулы изобретения представляет собой сердцевину теплообменника, в которой ряд гофрированных ребер расположен параллельно в направлении ширины ребер, где течет текучая среда и содержащих жалюзи, изготовленные подрезкой и отгибом для обеспечения наклона в одном и том же направлении (здесь и далее - однонаправленное ребро), и ряд плоских трубок, попеременно расположенных параллельно друг другу, причем высота Н (мм) сердцевины, ширина W (мм) жалюзи, изготовленных подрезкой и отгибом, в направлении основного потока текучей среды и угол 8 жалюзи, изготовленных подрезкой и отгибом, заданы так, чтобы удовлетворить неравенству (1), указанному ниже:

η=0,3553 (мм)

ξ=0,5447 (мм)

j=0,1419

k=4,2789

Положительные эффекты изобретения

В соответствии с настоящей заявкой, высота Н (мм) сердцевины, ширина W (мм) жалюзи в направлении основного потока текучей среды, а также угол θ подрезанных и отогнутых жалюзи удовлетворяют неравенству (1) по п. 1.

Поскольку высота Н сердцевины удовлетворяет условию

H>Q_up/(Q_up-1)×ΔH, то производительность теплообмена по сравнению с 0 ребрами известного типа улучшается.

Более конкретно, кривая W-H, показанная на Фиг. 6, имеет высоту Н сердцевины в диапазоне кривой линии, соединяющей каждую точку, причем каждая точка определяет угол подреза и отгиба θ каждого жалюзи. Следует отметить, что, на Фиг. 3, ширина W жалюзи, изготовленных подрезкой и изгибом, относится к диапазону, в котором однонаправленные жалюзи изготовлены подрезкой и отгибом.

Причины возникающих эффектов будут описаны далее.

Однонаправленное ребро имеет и недостатки, и преимущества по сравнению с обычными неплоскими ребрами жалюзи. Одним из недостатков является увеличение АН области уменьшенного воздушного потока (уменьшение области теплообмена), а одним из преимуществ является улучшение (коэффициента) Q_up теплообмена на участке воздушного потока.

При этом, условие, при котором положительный эффект превышает отрицательный эффект может быть выражено как

Q_up×(H-ΔH)/H>1.

Неравенство, указанное выше, может быть модифицировано с получением следующего условия:

H>Q_up/(Q_up-1)×ΔH

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 показано сравнение между воздушным потоком через ребра теплообменника в соответствии с настоящим изобретением и воздушным потоком через ребра теплообменника известного типа.

На Фиг. 2(A) показан режим течения воздушного потока согласно настоящему изобретению. На Фиг. 2(B) показан режим течения воздушного потока в теплообменнике известного типа.

На Фиг. 3(A) показаны изготовленные подрезкой и отгибом жалюзи сердцевины теплообменника согласно настоящему изобретению. На Фиг. 3(B) показаны изготовленные подрезкой и отгибом жалюзи сердцевины теплообменника известного типа.

На Фиг. 4 показаны графики с экспериментальными данными, на которых по горизонтальной оси отложена ширина W подрезанных и отогнутых жалюзи, а по вертикальной оси отложено соотношение скорости теплообмена в основной области теплообмена (участке воздушного потока) между сердцевиной согласно настоящему изобретению и сердцевиной известного типа.

На Фиг. 5 показаны графики, на которых по горизонтальной оси отложена ширина W подрезанных и отогнутых жалюзи, а по вертикальной оси отложено соотношение увеличенного значения ΔН области уменьшенного теплообмена (области уменьшенного воздушного потока) сердцевины согласно настоящему изобретению и сердцевины известного типа.

На Фиг. 6 показан график, на котором по горизонтальной оси отложена ширина W подрезанных и отогнутых жалюзи, а по вертикальной оси отложено соотношение наименьшего предельного значения высоты сердцевины при котором реализуется эффект сердцевины согласно настоящему изобретению и сердцевины известного типа.

На Фиг. 7 показан график, на котором по горизонтальной оси отложена ширина W подрезанных и отогнутых жалюзи, а по вертикальной оси отложено соотношение скоростей величины теплообмена между сердцевиной теплообменника согласно настоящему изобретению и сердцевиной теплообменника известного типа.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В дальнейшем, со ссылкой на прилагаемые чертежи, будет описан вариант осуществления настоящего изобретения.

На Фиг. 1-3 показано сравнение между сердцевиной теплообменника согласно настоящему изобретению и сердцевиной теплообменника известного типа, используемого в настоящее время в практических приложениях.

На Фиг. 1 показан вид в вертикальном сечении сердцевины теплообменника. Далее, на Фиг. 2(A) показан режим течения воздушного потока и жалюзи согласно настоящему изобретению. На Фиг. 2(B) показан канал потока воздуха в сердцевине известного типа. На Фиг. 3(A) и 3(B) показан вид жалюзи, изготовленных подрезкой и отгибом соответственно.

Сердцевина теплообменника согласно настоящему изобретению формируется сердцевиной, в которой плоские трубки и гофрированные ребра расположены параллельно и попеременно. В этом примере, пара бачков 3 расположена сверху и снизу сердцевины, и оба торца плоской трубки проходят через бачки 3. Как видно из Фиг. 1, высота сердцевины Н представляет собой расстояние, на которое разнесена между собой пара бачков 3 сверху и снизу сердцевины (высота части пространства между парой бачков 3). Ширина W подрезанных и отогнутых жалюзи меньше, чем ширина сердцевины, показанной на Фиг. 3, на длину плоских участков ребра.

В этом примере, как показано на Фиг. 2(A) и 3(A), только однонаправленные ребра расположены под углом в качестве гофрированных ребер, и подрезаны и отогнуты с тем же наклоном в области ширины W подрезанных и отогнутых жалюзи. Далее, по обе стороны от подрезанных и отогнутых жалюзи шириной W обеспечивается плоский участок 6d, а также формируется половина жалюзи 6с на плоском участке 6d. Ширина половины жалюзи 6с, в два раза меньше ширины любых жалюзи 6, отличных от половины жалюзи 6с.

Как показано на Фиг. 2(A), после того, как воздушный поток 1 входит в однонаправленное ребро 7, воздушный поток 1 направляется в каждые жалюзи 6 однонаправленного ребра, так что формируется однонаправленный канал 4 потока с наклоненным от стороны впуска к стороне выпуска полосовым профилем.

С другой стороны, как показано на Фиг. 2(B) и 3(B), известный тип ребра 8 содержит разнонаправленные в направлении ширины жалюзи 6b по середине ребра. По обе стороны разнонаправленных жалюзи 6b параллельно расположены жалюзи 6а, имеющие отличные друг от друга направления. На обеих сторонах разнонаправленных жалюзи 6b, половина жалюзи изготовляется подрезкой и отгибом.

Как показано на рис 2(B), после того, как воздушный поток 1 входит в ребро 8 известного типа, формируется канал 5 потока ребра известного типа с профилем наподобие горы.

Как было описано выше, однонаправленное ребро 7, являющееся объектом настоящего изобретения, полностью отличается от ребра 8 известного типа, точно как отличаются друг от друга канал 4 потока однонаправленного ребра и канал 5 потока ребра известного типа.

Это основано на конструкционной разности между однонаправленным ребром 7 согласно настоящему изобретению и ребром 8 известного типа. Поэтому, формируются следующие отличия.

Прежде всего, однонаправленное ребро 7 может иметь большее количество жалюзи 6 по сравнению с ребром 8 известного типа. Причина в том, что, вместо разнонаправленных жалюзи 6b в ребре 8 известного типа, однонаправленные жалюзи могут быть изготовлены подрезкой и отгибом. В этом аспекте, сердцевина по настоящему изобретению обеспечивает улучшение коэффициента теплообмена.

Также, сложно полностью поменять направление воздушного потока 1 с использованием разнонаправленных жалюзи 6b. В ребре 8 известного типа формируется область застоя сразу после части смены направления в выпускном направлении, тогда как в настоящем изобретении не формируется указанная область застоя. В этом аспекте также улучшается коэффициент теплообмена.

Как показано на Фиг. 1, воздушный поток 1, текущий с левой стороны, посредством однонаправленного ребра 7 течет в сердцевине 2 теплообменника наклонно в пределах области эффективной сердцевины с высотой H₁.

С другой стороны, в случае ребра 8 известного типа, воздушный поток 1 течет в сердцевине 2 теплообменника с профилем наподобие горы, как это показано пунктирной линией, в пределах области эффективной высоты Н₂ сердцевины известного типа. Как ясно показано на Фиг. 1, эффективная высота Н₂ сердцевины известного типа больше, чем эффективная высота H₁ сердцевины однонаправленного ребра согласно настоящему изобретению. Таким образом, как показано на Фиг. 1, однонаправленное ребро используется для того, чтобы произвести увеличение ΔН области уменьшенного теплообмена воздушного потока в настоящем изобретении. Таким образом, в области ΔН коэффициент теплообмена снижен.

Прежде всего, авторы настоящего изобретения экспериментально получили коэффициент теплообмена на высоте H₁ эффективной сердцевины однонаправленного ребра, показанного на Фиг. 1, по отношению к ребру 8 известного типа. На Фиг. 4 показаны экспериментальные данные. По горизонтальной оси отложена ширина W подрезанных и отогнутых жалюзи, а по вертикальной оси отложен показатель коэффициента теплообмена. Каждое измерение было осуществлено при углах жалюзи в 20 градусов, 30 градусов и 40 градусов.

Как ясно показано на Фиг. 4, в области эффективной высоты H₁ сердцевины, под любым углом, показатель коэффициента теплообмена выше по сравнению с жалюзи сердцевины известного типа.

Далее, на Фиг. 7 показана зависимость показателя величины теплообмена во всей сердцевине от ширины W жалюзи.

Данные были подвергнуты регрессионному анализу и получено выражение

Q_up=Q_up(W,θ)=α(W)+β(W,θ)+1

Здесь α(W) и η удовлетворяют следующим условиям:

α(W)=η/(W-η), η=0.3553 (мм)

соответственно. Кроме того, β(W, θ) и ξ удовлетворяют следующим условиям:

β(W,θ)=ξ/(W⋅tan²2θ-ξ), ξ=0.5447 (мм)

соответственно.

α(W) выражает эффект от увеличения числа жалюзи. β(W,θ) выражает эффект исчезновения области застоя со стороны выпускного потока участка смены направления.

Кроме того, β(W,θ) и ξ удовлетворяют следующим условиям:

Q_up = (величина теплообмена на одну "гору" однонаправленного ребра на участке воздушного потока)/(величина теплообмена на одну "гору" ребра известного типа на участке воздушного потока).

Затем, как показано на фиг. 1, автор настоящего изобретения экспериментально подтверждает, что при использовании однонаправленных ребер теряется область ΔН относительно эффективной высоты Н₂ ребра известного типа. На Фиг. 5 показаны соответствующие экспериментальные данные. Как видно из Фиг. 5, по горизонтальной оси отложена ширина W подрезанных и отогнутых жалюзи сердечника, а по вертикальной оси отложено увеличенное количество ΔН уменьшенной области теплообмена при использовании однонаправленных жалюзи, размерность каждой величины - мм.

Исходя из численного расчета отвода, выполнен регрессионный анализ для каждого угла θ жалюзи, и получено следующее уравнение регрессии: (5)

ΔН=ΔH(W,θ)=j⋅W⋅(sinθ+k⋅sin²θ)

(j=0.1419, k=4.2789)

Здесь осуществлено рассмотрение путем сравнения преимуществ и недостатков между однонаправленными жалюзи и ребром известного типа, область, в которой эффекты могут быть обнаружены, может быть выражена как

Q_up×(H-ΔH)/H>1.

Описанное выше уравнение может быть модифицировано, и получено выражение:

H>Q_up/(Q_up-1)×ΔH

На Фиг. 6 показано наименьшее предельное значение (линии кривых а3-с3) эффективной высоты сердцевины однонаправленных жалюзи, полученное из неравенства.

В качестве примера, в случае, если угол жалюзи составляет 20 градусов, наименьшее предельное значение для ширины W жалюзи определяется по линии кривой а3.

До тех пор пока высота сердцевины соответствует наименьшему предельному значению или превышает его, производительность теплообмена может быть выше, чем производительность теплообмена сердцевины известного типа.

В случае если угол жалюзи составляет 30 градусов или 40 градусов, также достигается повышенная производительность.

Таким образом, в сердцевине теплообменника с однонаправленными жалюзи, параметры Н, W и θ могут быть установлены так, чтобы удовлетворить неравенству

.

Следует отметить, что, в соответствии с настоящим изобретением, ширина W жалюзи составляет от 6 до 46 мм, угол θ жалюзи составляет от 20 градусов до 35 градусов, шаг между жалюзи составляет от 0,5 до 1,5 мм, а шаг между ребрами составляет от 2 до 5 мм. Эти значения получены исходя из рассуждения, что воздушный поток принимается как текучая среда, а скорость потока на передней поверхности сердцевины установлена от 2 до 8 м/с.

Более предпочтительным условием принятия является следующее: ширина W подрезанных и отогнутых жалюзи составляет от 6 до 26 мм, угол θ подрезанных и отогнутых жалюзи составляет от 20 градусов до 30 градусов, шаг между жалюзи составляет от 0,5 до 1,0 мм, а шаг между ребрами составляет от 2 до 3 мм. Воздушный поток принимается как текучая среда, а скорость потока на передней поверхности сердцевины установлена от 4 до 8 м/с.

Список обозначений ссылок

1 - воздушный поток

1a - воздушный поток

2 - сердцевина теплообменника

3 - бачок

4 - канал потока однонаправленного ребра

5 - канал потока ребра известного типа

6 - жалюзи

6а - жалюзи

6b - разнонаправленные жалюзи

6с - половина жалюзи

6d - плоский участок

7 - однонаправленное ребро

8 - ребро известного типа

Н - высота сердцевины

W - ширина подрезанных и отогнутых жалюзи

θ - угол подрезанных и отогнутых жалюзи.

Сердцевина теплообменника, имеющая ряд гофрированных ребер, расположенных параллельно в направлении ширины ребер, где течет текучая среда, и содержащих жалюзи, изготовленные подрезкой и отгибом для обеспечения наклона в одном и том же направлении, и ряд плоских трубок, попеременно расположенных параллельно друг другу, причем

на обоих концах сердцевины размещена пара бачков, через которые проходят оба конца плоской трубки, а

высота Н (мм) сердцевины, которая представляет собой расстояние, на которое разнесена между собой пара бачков (расстояние части пространства между парой бачков), ширина W (мм) жалюзи, изготовленных подрезкой и отгибом, в направлении основного потока текучей среды и угол θ жалюзи, изготовленных подрезкой и отгибом, заданы так, чтобы удовлетворить неравенству (1), указанному ниже:

η=0,3553 мм,

ξ=0,5447 мм,

j=0,1419,

k=4,2789.