Теплообмінна поверхня

МПКЄ F28F 3/04 ТЕПЛООБМІННА ПОВЕРХНЯ Винахід відноситься до теплотехніки , більш конкретно, до конструкцій теплообмінних поверхонь які мають оребрення різної конфі , гурації, і може бути використане в різних галузях народного госпо дарства при створенні теплообмінного обладнання . Відома теплообмінна поверхня у вигляді плоскої вертикальної поверхні з рядами повздовжніх вертикальних ребер , розташованих паралельно в вертикальному напрямі (Ройзен Л.Н., Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей . М.:Энергия, 1977). Запропонована поверхня розвинута, але має недолік - неефективну роботу ребер , оскільки на їх поверхні умови теплообміну погіршуються по довжині ребра, що обумовлено ростом товщини пограничного шару , далі, виникненням в каналах між ребрами розвинутої течії і суттєвим підвищенням температури зовнішнього теплоносія в порівнянні з температурою оточуючого середовища. Відмічений недолік не має місця в теплообмінниках з поверхнею , яка має систему дискретних ребер з шаховим * або ступінчатим розта ' шуванням (див. заявку ЕПВ N207677, кл. F28F, 3/04, 1986р.). Запропонована конструкція приводить до зриву пограничних шарів з поверхні ребер, підвищення значень коефіцієнтів тепловіддачі і має суттєво більш високу теплову ефективність оребрення . Однак така конструкція теплообмінної поверхні з дискретним оребренням має недолік -значний прогрів теплоносія, який протікає в верхній частині системи , що приводить до погіршення умов теплообміну для ребер , розташованих в верхній частині оребреної системи , що, в кінцевому рахунку, приводить до неефективної роботи поверхонь , які мають значну довжину у напрямку руху теплоносія. Відома теплообмінна поверхня, яка містить систему довгих вертикальних і коротких нахилених ребер, що вибрана за прототип (патент України N22056A, кл. F28F 3/04, 1988 p.). Однак така конструкція теплообмінної поверхні має недоліки : І) наявність довгих повздовжніх ребер, на поверхні яких формується пограничний шар, який погіршує умови тепловіддачі для систем великих вертикальних розмірів; 2) неоптимальне розташування нахилених ребер, яке не дозволяє відводити значні питомі теплові потоки з одиниці площі теплообмінної поверхні. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення теплообмінної поверхні, в якій шляхом виконання системи рядів дискретних ребер в вигляді модуля типа "ялинка" і розташування їх на поверхні, яку займали довгі вертикальні ребра, вибору оптимальних значень міжреберних відстаней забезпечується підвищення величини теплового по току, який відводиться з одиниці площі теплообмінної поверхні , і за рахунок цього підвищується загальний коефіцієнт тепловіддачі , а також зменшуються габарити теплообмінної поверхні. Поставлена задача розв'язується тим, що теплообмінна поверхня, яка містить систему рядів дискретних ребер згідно з винаходом, , виконана в вигляді мод улів, зформовани х двома рядами проти* лежно нахилених коротких ребер, які встановлені під кутом 30-70° з утворенням каналів підводу холодного теплоносія між нижніми торцями нахилених ребер і каналу відводу гарячого теплоносія між верхніми торцями нахилених ребер, причому ширина каналів підводу і відводу теплоносіїв складає 3-15 мм, а відстань між нахиленими ребрами складав 0,3-0,5 подвоєної максимальної товщини пограничного шару , зформованого на окремому ребрі. 2 Таке розташування ребер дозволяє підтікати холодному теплоносію, наприклад, повітрю, до каналів, які мають місце між нижніми торцями нахилених ребер, розташованих в сусідніх рядах, і відводити гарячий теплоносій (повітря) в канали між рядами ребер, торці яких направлені вверх. Тепловіддача системи ребер підвищується за рахунок ефекту "тяги" в каналі відводу гарячого теплоносія . Заміна довгих вертикальних ребер, які являються неефективними для систем, що мають велику протяжність в вертикальному напрямі в силу великих товщин пограничного шару в верхній частині і, як наслідок, малих значень коефіцієнтів тепловіддачі, дозволяє розмістити на цій площі короткі нахилені ребра, теплова ефективність яких значно вища. Ширина каналів між сусідніми рядами ребер або відстань між тор цями нахилених ребер sKaH значно менша аналогічних відстаней в прототипі, залежить від вертикальних розмірів н оребреноі поверхні збі льшуючись з ростом н- Рекомендовані значення цих відстаней складає s «»u= 3-15 мм в діапазоні зміни значень висоти н =0,03-10 м. Кут наК сіп хилу ребер а може змінюватись в діапазоні « = 30-70°. Існують оптимальні відстані між короткими нахиленими ребрами 8 опт* ЯЇСІ значно менші подвоєної максимальної товщини пограничного шару, яка використана в прототипі . Ця відстань складає s onx ш 0-3-0,5 Sx , (1) де Sj - подвоєне значення максимальної товщини пограничного шару на окремому короткому ребрі , яке визначається формулою 7,86 Pr"1/2(Pr + |f )1/4 ВГХ1/А сов1'4* 1 , (2) де і - довжина дискретного ребра; Рг - число Правдгля зовнішнього теплоносія (для повітря Рг=о,7); .1 -з - число Грасгофа ; g - прискорення сили тяжіння ; /5 - коеффіціент об'ємного разширения зовнішнього теплоносія ; v - динамічний коеффіцієвт в'язкості; Лт = т і і ~ Тоо " температурний напір між поверхнею дискретного ребра і зовнішнім теплоносієм, які мають, відповідно, температуру тг і тоо; а - кут нахилу дискретних ребер . Відстані між дискретними ребрами, розрахованими по формулі (І) визначено в результаті обчислень і підтверджено експериментальними дослідженнями. Такі відстані забезпечують максимальний тепловідвід з одиниці площі поверхні теплообмінника. Таким чином, забезпечується технічний результат - підвищення величини теплового потоку який відводиться з одиниці площі тепло , обмінної поверхні з запропонованим оребренням . Винахід пояснюється кресленнями , на яких схематично зображено : Фіг.І - теплообмінна поверхня , загальний вигляд; Фіг.2 - фронтальна проекц ія теплообм інно і поверхи і , яка представлена на Ф іг. І; Фіг.З - графік значень міжреберних відстаней s onT для дискретних ребер в залежності від довжини дискретного ребра і температурного напору ATj при куті нахилу ребер рівному а = 45°; Фіг.4 - співстав-лення площі F поверхні з оребренням , вибраним за прототип і площі F2 поверхні типу "ялинка" (Фіг.2) для різних значень вертикальних розмірів н поверхні основи при AT = ІОО°К, 1=20 мм, 5кан= 10 мм, а = 45°; Фіг.5 - відношення теплових потоків, які відводяться з одиниці площі вертикальної поверхні з оребренням, вибраним за прототип а± і з оребренням типу "ялинка" а2 при AT - І00°К, і - 20 мм, sttH= 10 MM, « - 45° Теплообмінна поверхня включає (Фіг.1,2)з - дискретні ребра її - канал підводу теплоносія 2; - канал відводу теплоносія 3. Заявлена теплообмінна поверхня працює слідуючим чином. Холодне повітря поступає в канал підводу 2 оребреноі системи. Воно підводиться до кожного з нахилених дискретних ребер І , формуючи на них пограничник шар і область розвинутої течії між сусідніми нахиленими ребрами, нагрівається і відводиться в канал відводу га рячого повітря 3. В каналах виникає додаткова течія за рахунок пе репаду тисків в нижній і верхній частині поверхні , т.н. ефект "тяги" Наявність такого ефекту додатково підвищує коефіцієнт тепловіддачі оребреноі поверхні. Таким чином, створюються умови, за яких всі нахилені ребра обтікаються холодним повітрям , знаходяться в однакових умовах і мають високий коефіцієнт тепловіддачі. Вибір оптимальної відстані між нахиленими ребрами, розрахованої за формулами (І), (2) дозволяє створити найбільш компактне розташування ребер, при якому тепловий потік, який відводиться з одиниці площі вертикальної поверхні, буде максимальним. Використовуючи залежності, приведені на Фіг.З, можна визначити необхідну оптимальну відстань s onT для різної геометрії і різних температурних режимів теплообмінної поверхні без використання роз рахункових формул (І), (2). На Фіг.4 представлено відношення площі оребрення F% ДЛЯ поверхні, вибраної за прототип, і площі оребрення F Z типу "ялинка" при одинакових розмірах вертикальної поверхні основи Як слідує з . Фіг.4, виграш в площі за рахунок видалення довгих вертикальних ребер і оптимального розташування коротких ребер при і= 20 мм, s —»= Ю мм, а « 45° може складати 4-6 раз. Кап Залежності, які представлені на Фіг.5, показують, що відношення значень теплових потоків, які відводяться від поверхні з оребренням типу "ялинка" az Із оребреної поверхні, вибраної за прототип Q ± при тих же розмірах вертикальної поверхні основи може складати 2,3-3,9 рази. Це свідчить, що інтенсифікація тепловідводу з одиниці площі вертикальної поверхні з оребренням типу "ялинка" в порівнянні з прототипом зросла в 2*4 рази, а конструкція оребрення , яка запропонована в винаході , більш ефективна , ніж в вибраному прототипі . Це підтверджується експериментальними дослідженнями. Запропонована теплообмінна поверхня може бути використана при конструюванні опалювальних пристроїв, які працюють в умовах як вільної, так і примусової конвекції. Виготовлення запропонованої поверхні може бути виконано штампов кою рядів протилежно нахилених дискретних ребер з листового заліза , міді чи алюмінію з наступною приваркою або пайкою штампованих секцій до несучої поверхні. ТЕПЛООБМІННА ПОВЕРХНЯ ФІГ. І АВТОР: ГОРО! В.Г . ТЕПЛООБМІННА ПОВЕРХНЯ і ФІГ. 2 АВТОР: ГОРОБЕЦЬ В.Г, в ТЕПЛООБМІННА ПОВЕРХНЯ опт 10 9 5 15 20 15 50 87 65 кз 2. ФІГ. З АВТОР: ГОРОБЕЦЬ В.Г. \* ТЕПЛООБМІННА ПОВЕРХНЯ 7,0 6,0 5,0 Н 0,25 0,5 1,0 1,5 ФІГ. 4 АВТОР: ГОРОБЕЦЬ В.Г, 2,0 ТЕПЛООБМІННА ПОВЕРХНЯ 5,0 /Q t 5,0 2,0 0,25 0,5 2,0 ФІГ. 5 АВТОР: ГОРОБЕЦЬ В.Г.