Развитая теплообменная поверхность

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплообменных устройств. Развитая теплообменная поверхность содержит поверхность теплообмена (1), на одной из сторон которой вдоль продольных осей (2), равноудаленных друг от друга в поперечном сечении на S₁, выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками (3), а в продольном направлении зигзагообразные стенки прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками (3) смещены друг относительно друга на S₂. Между этими ребрами расположены сходяще-расходящиеся каналы (4) с шириной проходного сечения W₁ и W₂, в широкой части которых предустановлены плавниковообразные штырьки (5), с противоположных сторон имеющие тупые (6) и острые (7) кромки. Плавникообразные штырьки (5) имеют такую форму, что их наиболее широкая часть располагается на участке сходяще-расходящегося канала (4), переходящего из конфузора в диффузор, и имеют ширину W₃, а расстояние от центра O₁ вписанной в плавниковообразный штырек (5) окружности до тупой кромки (6) составляет l₁ и от центра O₁ вписанной в плавниковообразный штырек (5) окружности до острой кромки (7) l₂, при этом контур плавниковообразного штырька (5) повторяет контур зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками (3), образуя два малых канала с постоянной площадью проходного сечения (8). Технический результат заключается в повышении удельных тепловых потоков, снимаемых с развитой поверхности теплообмена. 4 ил.

 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплообменных устройств.

Известна развитая теплообменная поверхность, содержащая поверхность теплообмена, на которой вдоль продольных осей выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с острыми кромками, образующими сходяще-расходящиеся каналы (Elshafei Е. А. М. et al. Heat transfer and pressure drop in corrugated channels //Energy. - 2010. - T. 35. - №. l. - C. 101-110.).

Основной недостаток настоящего технического решения заключается в низкой интенсивности теплообмена.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является развитая теплообменная поверхность, содержащая поверхность теплообмена, на которой вдоль продольных осей выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками, образующими сходяще-расходящиеся каналы (Islamoglu Y. Effect of rounding of protruding edge on convection heat transfer in a converging-diverging channel //International communications in heat and mass transfer. - 2008. - T. 35. - №. 5. - C. 643-647.).

Основной недостаток настоящего технического решения заключается в невысокой интенсивности теплообмена.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в интенсификации теплообмена за счет изменения конфигурации поверхности теплосъема.

Технический результат заключается в повышении удельных тепловых потоков, снимаемых с развитой поверхности теплообмена.

Это достигается тем, что в развитой теплообменной поверхности, содержащей поверхность теплообмена, на которой вдоль продольных осей выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками, образующими сходяще-расходящиеся каналы, продольные оси равноудалены друг от друга в поперечном сечении на S₁, в продольном направлении зигзагообразные стенки прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками смещены друг относительно друга на S₂, а ширина проходного сечения сходяще-расходящихся каналов в узкой и широкой части составляет W₁ и W₂ соответственно, при этом на участке сходяще-расходящегося канала, переходящем из диффузора в конфузор, располагается наиболее широкая часть плавниковообразного штырька шириной W₃, имеющего тупую и острую кромки, образующего два малых канала с постоянной площадью проходного сечения, расстояние от центра O₁ вписанной в плавниковообразный штырек окружности до тупой кромки составляет l₁, а до острой кромки - l₂, при этом отношение поперечного шага расположения S₁ зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками к продольному шагу S₂ находится в диапазоне от 0,8 до 1,0, отношение ширин W₂ к W₁ находится в диапазоне от 1,7 до 1,9, отношение расстояний l₁ и l₂ находится в диапазоне от 1,9 до 2, а отношение ширин W₁ и W₃ составляет 1,4-1,6.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена развитая теплообменная поверхность (РТП), на фиг. 2 представлен разрез А-А РТП, на фиг. 3 изображен участок РТП с плавниковообразным штырьком, а на фиг.4 изображен график зависимости числа Нуссельта Nu от числа Рейнольдса Re для заявленной РТП и прототипа.

Развитая теплообменная поверхность содержит поверхность теплообмена 1, на одной из сторон которой вдоль продольных осей 2, равноудаленных друг от друга в поперечном сечении на S₁ выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3, а в продольном направлении зигзагообразные стенки прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3 смещены друг относительно друга на S₂. Между этими ребрами расположены сходяще-расходящиеся каналы 4 с шириной проходного сечения W₁ и W₂, в широкой части которых предустановлены плавниковообразные штырьки 5, с противоположных сторон имеющие тупые 6 и острые 7 кромки. Плавникообразные штырьки 5 имеют такую форму, что их наиболее широкая часть располагается на участке сходяще-расходящегося канала 4, переходящего из конфузора в диффузор, и имеет ширину W₃, а расстояние от центра O₁ вписанной в плавниковообразный штырек 5 окружности до тупой кромки 6 составляет l₁ и от центра O₁ вписанной в плавниковообразный штырек 5 окружности до острой кромки 7 l₂, при этом контур плавниковообразного штырька 5 повторяет контур зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3, образуя два малых канала с постоянной площадью проходного сечения 8. Отношение поперечного шага расположения S₁ зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3 к продольному шагу S₂ находится в диапазоне от 0,8 до 1,0. Отношение ширин широкой части проходного сечения W₂ сходяще-расходящегося канала 4 к узкой части проходного сечения W₁ сходяще-расходящегося канала 4 находится в диапазоне от 1,7 до 1,9. Отношение расстояний от центра О₁ вписанной в плавниковообразный штырек 5 окружности до тупой кромки 6 l₁ и от центра O₁ вписанной в плавниковообразный штырек 5 окружности до острой кромки 7 l₂ находится в диапазоне от 1,9 до 2, а отношение ширины проходного сечения сходяще-расходящегося канала 4 W₁ и ширины плавниковообразного штырька 5 W₃ составляет 1,4-1,6.

Для оребренной стороны развитой теплообменной поверхности рабочая среда является газообразной.

Данную развитую теплообменную поверхность можно использовать в любом теплообменном устройстве, включая охлаждаемые каналы, пластинчатые теплообменники и т.д.

Развитая теплообменная поверхность работает следующим образом.

В рабочем процессе газообразная среда обтекает оребренную сторону поверхности теплообмена 1 в сходяще-расходящихся каналах 4, принимая или передавая через нее тепловой поток. При натекании газообразной среды на плавниковообразные штырьки 5 со стороны тупой кромки 6 поток разделяется и, протекая по малым каналам с постоянной площадью проходного сечения 8, прижимается к зигзагообразным стенкам прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3, исключая тем самым застойные зоны в широкой части сходяще-расходящихся каналов 4.

Указанное сочетание сходяще-расходящихся каналов 4 и плавникообразных штырьков 5 позволяет значительно повысить интенсивность теплообмена по сравнению с прототипом. Значительное повышение коэффициента теплоотдачи на поверхности теплообмена 1 вызвано, прежде всего, исключением застойных зон в широкой части сходяще-расходящихся каналов 4 и частичным поглощением пограничного слоя.

В результате проведения численного эксперимента была подтверждена высокая интенсивность теплообмена РТП. Графическая зависимость числа Нуссельта Nu от числа Рейнольдса Re для заявленной РТП и прототипа развитых теплообменных поверхностей приведена на фигуре 3, где линия 1 отражает зависимость для РТП, на которой выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками с предустановлеными каплевидными штырьками. Линия 2 отражает зависимость для РТП, на которой выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками без предустановленных каплевидных штырьков. Как видно из графика, предлагаемое техническое решение обладает значительно более высокой интенсивностью теплообмена по сравнению с прототипом: число Nu в диапазонах чисел Re от 20000 до 60000 оказывается выше в 1,5-1,9 раз.

Столь значительный рост интенсивности теплообмена вызван, прежде всего, разрушением застойных зон в широкой части сходяще-расходящихся каналов 4. Структура потока принципиально меняется. Поток, натекающий на плавниковообразные штырьки 5, перенаправляется к зигзагообразным стенкам прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3 и разрушает низкоинтенсивные вихревые течения в диффузорной части сходяще-расходящихся канала 4, увеличивая тем самым эффективную площадь теплообмена.

Использование изобретения позволяет достичь повышения удельных тепловых потоков, снимаемых с развитой поверхности теплообмена за счет повышения интенсификации теплообмена.

Развитая теплообменная поверхность, содержащая поверхность теплообмена, на которой вдоль продольных осей выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками, образующими сходяще-расходящиеся каналы, отличающаяся тем, что продольные оси равноудалены друг от друга в поперечном сечении на S₁, в продольном направлении зигзагообразные стенки прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками смещены друг относительно друга на S₂, а ширина проходного сечения сходяще-расходящихся каналов в узкой и широкой части составляет W₁ и W₂ соответственно, при этом на участке сходяще-расходящегося канала, переходящем из диффузора в конфузор располагается наиболее широкая часть плавниковообразного штырька шириной W₃, имеющего тупую и острую кромки, образующего два малых канала с постоянной площадью проходного сечения, расстояние от центра Ο₁ вписанной в плавниковообразный штырек окружности до тупой кромки составляет l₁, а до острой кромки - l₂, при этом отношение поперечного шага расположения S₁ зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками к продольному шагу S₂ находится в диапазоне от 0,8 до 1,0, отношение ширин W₂ к W₁ находится в диапазоне от 1,7 до 1,9, отношение расстояний l₁ и l₂ находится в диапазоне от 1,9 до 2, а отношение ширин W₁ и W₃ составляет 1,4-1,6.