Пристрій для підвищення теплопередачі

Реферат: Пристрій для підвищення теплопередачі має паралельні ряди виступів, встановлених на теплообмінній поверхні і нахилених щодо напрямку основної течії, причому виступи мають обтічну форму поверхні з боку набігаючого потоку і поздовжні наскрізні канавки з вертикальними бічними стінками, причому канавки встановлені з рівномірним кроком у трансверсальному напрямку. Пристрій складається із теплообмінної поверхні, на якій встановлені комплекси, що складаються з круглої лунки у формі сегмента сфери з закругленим краєм, і розташованого перед ним короткого виступу, нахиленого відносно напрямку основної течії на кут, який не перевищує 45°. Виступ встановлено на відстані від лунки в місці поздовжньої осі симетрії лунки, яка за величиною не менше глибині лунки, а в поперечному перерізі виступ має обтічну форму з боку набігаючого потоку у вигляді ожівальної форми або закруглення з радіусом. З протилежного боку сторона поперечного перерізу виступу вертикальна і має виїмку. UA 100165 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ UA 100165 U UA 100165 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплотехніки, а саме до конструкцій теплообмінних поверхонь, і може бути використана в теплообмінниках різного призначення. Крім цього корисна модель може бути використана для управління характеристиками динамічного примежового шару і потоку. Багато років проводяться експериментальні та теоретичні досліди особливостей будови і функціонування пристосувань для інтенсифікації теплообміну. В даний час широко застосовуються в техніці різні інтенсифікатори тепловіддачі: поперечні прямі або встановлені під кутом до потоку, а також кільцеві і спіральні виступи і канавки, зосереджені сферичні і циліндричні лунки, сферичні і циліндричні виступи, спіральні дротяні виступи-вставки. Перераховані пристрої інтенсифікують теплообмін в пристінковій області течії за рахунок турбулізації (руйнування) цієї області потоку. Закрутка потоку служить додатковим фактором інтенсифікації теплообміну [1]. Крім зазначених пристроїв для інтенсифікації теплообміну пропонуються також конструкції, за допомогою яких в потоці формуються поздовжні закручені системи вихорів [2, 3]. Відомо, що основним чинником, що обмежує місцевий конвективний теплообмін, є швидкий ріст теплових примежових шарів у межах внутрішніх проточних частин теплообмінників. Примежовий шар відіграє роль теплоізолятора між стіною і проточною рідиною. З цієї причини численні геометричні схеми були винайдені для того, щоб зруйнувати примежовий шар і його ізолюючий ефект. Відомо, що теплові примежові шарі корелюються з динамічними примежовими шарами, що виникають на обтічних поверхнях. Проте в переважній більшості досліджень в теплотехніці і в існуючих патентах різних країн не розглядаються кінематичні та динамічні особливості динамічних примежових шарів, відповідно до яких знаходять пояснення характеристик теплових примежових шарів. Як виняток з цього загального правила можна навести приклад дослідження турбулентного теплопереносу в примежових шарах рідини, коли попередньо досліджено динамічні характеристики примежового шару [3]. Численні дослідження показали, що перспективною є теплообмінна поверхня у вигляді системи лунок, переважно, у вигляді сегментів кулі. Відомі також дослідження кінематичних і динамічних характеристик обтікання зазначених лунок, перелік яких наведено в [4]. Проте досі не враховуються сучасні уявлення про когерентні вихрові структури (КВС), існуючі в примежових шарах при різних числах Рейнольда, і закономірності взаємодії цих структур з вихровими структурами, що формуються в лунках. В [5] наведені макети КВС в прикордонному шарі і основні закономірності взаємодії в потоці різних збурень. Вимірювання показали, що при різних числах Рейнольдса найбільш енергонесучими є структури подібні торнадо-вихорам. На підставі такого підходу в [6, 7 та ін.] виконані експериментальні дослідження обтікання сферичних лунок повітряним і водним потоками. Показано, що залежно від чисел Рейнольдса і геометричних параметрів поглиблень в лунках формуються різні характерні типи КВС. Взаємодія двох послідовно встановлених лунок має складний характер і може привести до того, що з подальшою лунки викиди вихорів будуть відбуватися проти потоку. При цьому така різноманітна картина вихрових структур, які викидаються з лунок, буде взаємодіяти з конкретними КВС, існуючими в прикордонному шарі перед і за лункою при певному числі Рейнольдса. У всіх існуючих патентах з лунками ці процеси не враховуються. Відома теплообмінна поверхня з лунками [8], інтенсифікація теплообміну в якій досягається застосуванням сферичних лунок, розташованих паралельними рядами, кожна з яких виконана з пов'язаною з нею канавкою у формі конуса, одна твірна якого виконана по дотичній до лунки в її поперечному перерізі, а інша твірна, яка розташована по поверхні, виконана по дотичній до лунки паралельно осі ряду лунок, глибина і ширина канавок збільшуються у напрямку до лунки, причому вхід канавки в лунку не знаходиться в площині симетрії лунки, проведеної через її центр перпендикулярно осі ряду лунок. Передбачено виконання у кожної лунки двох однакових канавок, розташованих з двох діаметрально протилежних сторін, а також варіант виконання теплообмінної поверхні з парними вихорами. Така форма канавок дозволяє потоку, який входить у лунку через канавки, додатково закручувати вихрові структури, що формуються в лунках. Недоліком запропонованої поверхні є те, що лунки виконані в формі вертикальних циліндрів, дно яких виконано у вигляді сегмента кулі. Це дозволяє сформувати тільки один вид вихорів в лунці і ускладнює вихід цього вихору з лунки. Крім цього не відомо напрямок обертання вихору в лунці, тому не обґрунтовано прийняте розташування додаткової канавки щодо лунки. Стверджується, що при обтіканні теплоносієм вхідного краю сферичної лунки виникає відрив, а нижче по течії потік приєднується до стінки. Між місцями відриву і приєднання виникає зона рециркуляції, яка майже не обмінюється масою з рештою потоку. Таке твердження доцільне тільки для прямих поперечних канавок. Візуалізація обтікання напівсферичної або сегментної 1 UA 100165 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 лунки [4-7] зафіксувала зовсім іншу картину течії в лунці, тому фізичні умови обтікання запропонованої конструкції теплообмінної поверхні не достатньо обґрунтовані. При запропонованих співвідношеннях та конструкції лунок та прилеглих до них канавок не виникає струменів в канавках, в яких структура протоку така ж сама, як і на прилеглій горизонтальній теплообмінній поверхні. Навпаки за рахунок збільшення глибини в канавках виникає зменшення швидкості потоку. Найбільш близьким по технічній суті до корисної моделі "Пристрій для підвищення теплопередачі", що заявляється, є прийнятий за прототип пристрій теплообмінної поверхні [9], який складається з поперечних виступів, встановлених на теплообмінній поверхні під кутом β=45° і 90° у напрямку основного потоку. Поперечний переріз виступів, встановлених на одній стороні каналу, був прямокутної квадратної форми, напівциліндричної форми з радіусом r=h, де h - висота виступів, і прямокутної форми з заокругленнями передньої кромки r=h8h. Висота виступу при випробуванні на одній стінці становила h=5 мм. Виступи були суцільними або з прямокутними канавками, глибина яких становила h10,55h, з кроком z1/δo=1.11,6, де δo товщина примежового шару на місці перешкоди. Висота каналу Н=0,03 м. При випробуваннях в каналі з верхньої та нижньої теплообмінними поверхнями у прямокутних перешкод h=2,6 мм і β=90°, а при β=45° h=1,9 мм. Напівциліндричні перешкоди суцільні або з канавками мали h=2,8 мм і β=90°, а глибина канавок h1/h=0,65, β1=45°, крок між канавками z1=0.46 Ĥ, де Ĥ висота каналу дорівнює 0,01 м  0,04 м. У всіх випадках h/δo0,310,5 Недоліком прототипу є те, що шляхи підвищення тепловіддачі теплообмінної поверхні визначаються традиційним методом за рахунок зменшення рециркуляційної зони при виборі форми поперечних виступів, розташованих вздовж всієї ширини поверхні. Крім цього не встановлена форма поздовжніх канавок. В основу корисної моделі поставлено задачу розробки ефективної принципово нової теплообмінної поверхні, в якій шляхом виконання системи рядів комплексів у вигляді коротких поперечних виступів, встановлених на теплообмінної поверхні під кутом до напрямку основного потоку, причому в виступах розташовані дискретні поздовжні канавки, і розташованих нижче по потоку за виступами круглих лунок у вигляді сегмента сфери таким чином, що край лунок знаходиться напроти поздовжньої осі симетрії поздовжньої канавки, вперше досягнуто формування над лунками торнадо подібних стійких вихорів, а в проміжках між короткими виступами пар поздовжніх вихорів, що обертаються назустріч один одному. Все це призводить до істотної зміни структури течії за цими комплексами і за рахунок цього суттєво підвішується загальний коефіцієнт тепловіддачі в широкому діапазоні швидкостей теплоносія. Поставлена задача вирішується відповідно до корисної моделі за рахунок того, що пристрій для підвищення теплопередачі складається із теплообмінної поверхні, на якій встановлені комплекси, що складаються з круглої лунки у формі сегмента сфери з закругленим краєм, і розташованого перед ним короткого виступу, нахиленого відносно напрямку основної течії на кут, який не перевищує 45°, причому виступ встановлено на відстані від лунки в місці поздовжньої осі симетрії лунки, яка за величиною не менше глибини лунки, а в поперечному перерізі виступ має обтічну форму з боку набігаючого потоку у вигляді ожівальної форми або закруглення з радіусом, який дорівнює ширині виступу або до півтора рази більше, а з протилежного боку сторона поперечного перерізу виступу вертикальна і має виїмку, глибина якої дорівнює радіусу закруглення виїмки, таким чином, що зверху виступ має гостру кромку, причому висота виступу може бути рівна або більше глибини лунки, а ширина підстави виступу дорівнює 11,5 її висоти, крім того у виступі в трансверсальному напрямку на відстані від поздовжньої осі симетрії лунки, що дорівнює або менше радіуса лунки, виконана наскрізна поздовжня канавка, бічні стінки якої вертикальні, а ширина між ними з боку набігаючого потоку дорівнює або менше висоти виступу, глибина канавки менша висоти виступу, причому бічні стінки поздовжньої канавки можуть бути виконані похилими під кутом 10°15° до поздовжньої вертикальної плоскості симетрії канавки так, що канавка матиме форму сопла, що звужується, або бічні стінки можуть бути виконані також у вигляді сопла Вітошинського. Правий і лівий торець виступу розташовані від поздовжньої осі симетрії лунки на відстані, що дорівнює або трохи більше діаметра лунки. Виступи можуть бути виконані з двома канавками, причому друга канавка така ж сама, як і перша, але виконана симетрично від поздовжньої осі лунки з протилежного боку виступу таким чином, що поздовжня вертикальна плоскість другої канавки розташована напроти лівого краю лунки. Комплекси встановлюються на теплообмінній поверхні в трансверсальному напрямку паралельними рядами так, щоб лунки розташовувались вздовж їх трансверсальної осі симетрії, а відстань між торцями сусідніх виступів дорівнювалась ширині поздовжній наскрізній канавки у виступі з боку набігаючого потоку. Комплекси можуть встановлюватися іншим чином, щоб виступ одного комплексу був продовженням виступу 2 UA 100165 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сусіднього комплексу при тій же відстані між торцями сусідніх виступів, що дозволяє сформувати між торцями сусідніх виступів форму сопла, що звужується або сопла Вітошинського, як і у вертикальних стінках поздовжньої наскрізної канавки. Лунки будуть розташовуватись в цьому випадку на теплообмінній поверхні зі зміщенням один від одного в поздовжньому напрямку. Комплекси можуть встановлюватися так, щоб кути нахилу сусідніх виступів щодо поздовжньої осі симетрії відрізнялись один від одного на 90°, а поздовжні наскрізні канавки у сусідніх виступів, а також і відповідні лунки були виконані з протилежних боків. Це дозволяє сформувати розташування виступів типа "ялинка" і об'єднати обидва попередні варіанти встановлення комплексів на поверхні. Суть корисної моделі пояснюється наступними фігурами: Фіг. 1 наведено загальний вигляд запропонованої корисної моделі, вид зверху. Фіг. 2 представляє переріз А-А, згідно з фіг. 1. Фіг. 3 показує кадр відеофільму, в якому зображено візуалізацію формування вихрових структур при обтіканні запропонованого пристрою. На фіг. 1 наведено вид зверху запропонованого пристрою для підвищення теплопередачі, а на фіг. 2 - відповідно переріз А-А, згідно з фіг. 1. Пристрій складається із встановленого на теплообмінній поверхні 1 комплексу у вигляді круглої лунки 2, яка виконана у формі сегмента сфери і розташованого перед ним короткого виступу 3, нахиленого відносно напрямку основної потоку на кут β, який не перевищує 45°. Напрямок основного потоку позначено на фіг. 1, 2 стрілками, що розташовані праворуч, а швидкість за допомогою U. Діаметр лунки в місці перерізу лунки з поверхнею позначений через d, a максимальна глибина лунки через h. Крім цього переріз лунки з поверхнею закруглений радіусом R20,5h. Короткий виступ, який встановлено перед лункою на відстані ℓh в місці поздовжньої осі симетрії лунки, в поперечному перерізі має обтічну форму з боку набігаючого потоку у вигляді ожівальної форми, або закруглення з радіусом R=(11,5)h, а з протилежного боку сторона поперечного перерізу виступу вертикальна і має виїмку 4, глибина якої позначена через b, а знизу і зверху виїмка має закруглення радіусом R1=b так, що зверху виступ має гостру кромку. Висота виступу позначена через h1h, а ширина підстави дорівнює (11,5)h1. У виступі на відстані Н0,5d від поздовжньої осі симетрії лунки виконана наскрізна поздовжня канавка 5, бічні стінки якої вертикальні, а ширина між ними з боку набігаючого потоку Вh1 і висота h2