Теплообменная поверхность

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах. Изобретение заключается в выполнении теплообменной поверхности для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя в виде периодически нанесенных выемок, которые выполнены овально-траншейной формы, состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрической вставкой длиной l, развернутых под углом ϕ к набегающему потоку и с оптимальной геометрической формой. Технический результат - повышение теплогидравлической эффективности теплообменной поверхности. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относиться к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники.

Известна поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена (Патент РФ №2425260, МПК F15D 1/10 (2006.01) Заявка 2009111020/06 от, 31.08.2006, опубликовано 27.07.2011 Бюл. №21). Поверхность характеризуется тем, что на гладкой поверхности с защитным слоем или без него выполнены выемки, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми и вогнутыми поверхностями второго порядка, при этом сопряжение выемки с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклых поверхностей образующих скаты, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть выемки, выполнена гладкой или с обтекателем.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению являются теплообменные поверхности с овальными выемками (Isaev S.A., Leont'ev А.I., Kornev N.V., Hassel Е., and Chudnovskii Ya. P. Heat-Exchange Enhancement for Laminar and Turbulent Flows in a Narrow Channel with One-Row Oval Dimples // High Temperature, 2015, Vol. 53, No. 3, pp. 375-387). Поверхность характеризуется тем, что на гладкой поверхности с защитным слоем или без него выполнены овальные выемки, состоящие из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрической вставкой длиной 1. Приведенные результаты численных исследований показывают, что использование данной поверхности с овальными выемками (относительной глубиной h/b=0,2; относительным удлинением l/b=0,8; радиусом скругления кромок r/b=0,25; угол натекания потока на овальную выемку ϕ=45°) позволяет повысить уровень коэффициентов теплоотдачи на ней до Nu/Nu_гл=1,61 раза при ламинарном режиме течения (Re=2500) при росте коэффициентов гидросопротивления в ξ/ξ_гл=1,31 раза по сравнению с гладкой поверхностью, что обеспечивает значения фактора теплогидравлической эффективности (аналогии Рейнольдса) на уровне (Nu/Nu_гл)/(ξ/ξ_гл)=1,23. Использование теплообменной поверхности с овальными выемками при турбулентном режиме течения (Re=20000) позволяет повысить уровень коэффициентов теплоотдачи на ней до Nu/Nu_гл=1,52 раза при росте коэффициентов гидросопротивления в ξ/ξ_гл=1,73 раза по сравнению с гладкой поверхностью, что обеспечивает значения фактора теплогидравлической эффективности (аналогии Рейнольдса) на уровне (Nu/Nu_гл)/(ξ/ξ_гл)=0,88. Исследования на основе численного моделирования, методология которого изложена в (Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. Многоблочные вычислительные технологии в пакете VP2/3 по аэротермодинамике. Саарбрюкен: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2013. 316 с.), прошла многочисленные аппробации и верификации, реализована в программном комплексе "VP2/3 Thermophysics" (Программный комплекс "VP2/3 Thermophysics" для численного моделирования вихревой интенсификации теплогидродинамических процессов в теплообменных аппаратах / Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015619439. Дата поступления 08.06.2015. Дата регистрации 03.09.2015).

Однако известные теплообменные поверхности характеризуются недостаточной теплогидравлической эффективностью.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение теплогидравлической эффективности.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в увеличении тепловой и теплогидравлической эффективности.

Технический результат достигается за счет того, что теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя выполнена в виде периодически нанесенных углублений. Новым является то, что углубления выполнены овально-траншейной формы, состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрической вставкой длиной , развернутых под углом ϕ к набегающему потоку, с геометрическими соотношениями:

или ;

ϕ=45°;

h/b=0,18-0,37;

r=0,0256;

- длина цилиндрической части выемки, мм;

- длина выемки, мм;

h - глубина, мм;

b - ширина выемки, мм;

r - радиус скругления кромок выемки, мм;

ϕ - угол натекания потока на выемку, градусы.

Перечень фигур:

На фигуре 1 представлена геометрия предлагаемой теплообменной геометрии с условным обозначением геометрических размеров и направления течения потока относительно теплообменной геометрии.

На фигуре 2 представлен поперечный срез предлагаемой геометрии в сечении А-А обозначенном на фигуре 1 с указанием условных обозначений геометрических размеров.

В таблице 1 показаны параметры овально-траншейных выемок, которые были использованы в анализе теплогидравлической эффективности в (Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. Многоблочные вычислительные технологии в пакете VP2/3 по аэротермодинамике. Саарбрюкен: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2013.316 c.).

В таблице 2 представлены характеристики эффективности выемок переменной ширины по результатам сравнительного анализа.

Данная геометрия выемок является поверхностным генератором спиралевидных высокоинтенсивных моновихрей и позволяет повысить скорость вторичного течения до величин порядка характерной скорости потока в стесненном канале (среднемассовой или максимальной), что в несколько раз превышает скорости вторичного течения, индуцированные традиционными сферическими выемками, и отличается высокой стабильностью и интенсивностью вихревого течения в следе за ним по сравнению со сферическим аналогом, предложенными в (Поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена / Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А. // Патент РФ №2425260. Заявка 2009111020/06 от, 31.08.2006. Опубликовано 27.07.2011 Бюл. №21) и овальными выемками, описанными в (Isaev S.A., Leont'ev A.I., Kornev N.V., Hassel Е., and Chudnovskii Ya. P. Heat-Exchange Enhancement for Laminar and Turbulent Flows in a Narrow Channel with One-Row Oval Dimples // High Temperature, 2015, Vol. 53, No. 3, pp. 375-387), обеспечивая значительное превосходство овально-траншейных выемок по тепловой и теплогидравлической эффективности.

Сравнительный анализ теплообменных поверхностей с аналогом (сферической выемки), прототипом (овальной выемки) и предлагаемой формой интенсификатора теплообмена в форме овально-траншейной выемки проводился на основе численного моделирования, методология которого описана в (Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. Многоблочные вычислительные технологии в пакете VP2/3 по аэротермодинамике. Саарбрюкен: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2013. 316 с.), прошла многочисленные аппробации и верификации, реализована в программном комплексе "VP2/3 Thermophysics" (Программный комплекс "VP2/3 Thermophysics" для численного моделирования вихревой интенсификации теплогидродинамических процессов в теплообменных аппаратах / Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015619439. Дата поступления 08.06.2015. Дата регистрации 03.09.2015).

Сравнительный анализ теплообмена на теплообменных поверхностях с аналогом (сферической выемки), прототипом (овальной выемки) и предлагаемой формой интенсификатора теплообмена в форме овально-траншейной выемки проведен в канале прямоугольного сечения шириной B=2,5⋅d_к и высотой H=0,33⋅d_к. В качестве характерного размера выбран диаметр сферической выемки, нормированный как d_к=1. Методически важно было зафиксировать площадь пятна выемки и его относительную глубину h/d_к=0,13(h/b=0,18-0,37) (фактически выемки оказываются равнообъемными). Относительная глубина выемок составляет h/d_к=0,13 Выемки располагаются на некотором расстоянии от входа в канал, выбранном из условия их незначительного влияния на входные условия. Радиус скругления кромок принимается равным r=(0,025 d_к). При сохранении площади пятна овально-траншейной выемки, равного площади пятна базовой сферической выемки, ее ширина изменяется в переделах b=(0,731…0,346)⋅d_к, а удлинение, отнесенное к ширине, составило (фиг. 1 и табл. 1). Угол наклона овально-траншейной выемки принят равным ϕ=45°. Число Рейнольдса выбрано равным Re_d=10⁴ (Re_H=3333).

Суммарное число Нуссельта Nu₀₍₁₎ рассчитывается на контрольной площади прямоугольного участка без выемки и с выемкой Nu₍₁₎. Гидравлические потери определяются по границам контрольного участка с выемкой ξ₍₁₎ и плоской поверхности ξ₀₍₁₎. Эффективность Е'=(Nu₍₁₎/Nu₀₍₁₎)/(ξ₍₁₎/ξ₀₍₁₎), определяемая по критерию аналогии Рейнольдса, рассчитывается как отношение тепловой эффективности Nu₍₁₎/Nu₀₍₁₎ на выделенном участке к относительным гидравлическим потерям ξ₍₁₎/ξ₀₍₁₎ на границах участка.

В ходе численных исследований показано, что с увеличением удлинения овально-траншейной выемки до теплогидравлические характеристики прямоугольного участка канала с выемкой кардинально улучшаются E'₍₁₎=1,163 по сравнению со сферической выемкой E'₍₁₎=1,002. Причем для сферической выемки Е'<1 при учете увеличения площади омываемой стенки канала (табл. 2). Темп возрастания тепловой эффективности значительно опережает рост гидравлических потерь. Тепловая эффективность овально-траншейной выемки при в 6 раз выше (Nu₍₁₎/Nu₀₍₁₎=1,243), чем у сферической выемки без учета площади внутренней поверхности (Nu₍₁₎/Nu₀₍₁₎=1,063), и в 4 раза выше при учете площади поверхности выемки (Nu_(1)/Nu₀₍₁₎=1,19 против Nu₍₁₎/Nu₀₍₁₎=1,054). Гидравлические потери на участке с овальной выемкой имеют максимум при ширине выемки b=0,549 (длина полуцилиндрической вставки ), который в 1,5 раза превышает гидравлические потери в случае сферической выемки. Гидравлические потери на участке с овально-траншейной выемкой (), оказались наименьшими и всего лишь в ξ₍₁₎/ξ₀₍₁₎=1,13 раза выше потерь для участка с базовой сферической выемкой.

Таким образом, сравнение предлагаемой конструкции теплообменной поверхности с овально-траншейными выемками по теплогидравлической эффективности (критерию аналогии Рейнольдса) с поверхностями со сферическими и овальными выемками показывает их преимущество при соблюдении геометрических соотношений размеров выемки: или ; ϕ=45°; h/b=0,18-0,37; r=0,025b.

Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных выемок, отличающаяся тем, что выемки выполнены овально-траншейной формы, состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрической вставкой длиной l, развернутых под углом ϕ к набегающему потоку, с геометрическими соотношениями:

l/b=4,7-5,78 или l_к/b=5,57-6,78;

ϕ=45°;

h/b=0,18-0,37;

r=0,025b;

l - длина цилиндрической части выемки, мм;

l_к - длина выемки, мм;

h - глубина, мм;

b - ширина выемки, мм;

r - радиус скругления кромок выемки, мм;

ϕ - угол натекания потока на выемку, градусы.