Теплообмінна поверхня

Изобретение относится к теплотехнике, з именно, к конструкциям теплообменник поверхностей и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства при создании теплообменного оборудования. За прототип принят теплообменник с поверхностью, где имеются системы дискретных ребер с шахматным или ступенчатым расположением [1]. Такая конструкция приводит к срыву пограничных слоев с поверхности ребер и увеличению тепловой эффективности оребрения. Предложенная конструкция теплообменной поверхности с дискретным оребрением имеет недостаток -ребра, расположенные в верхней части, омываются потоками теплоносителя, нагретого ребрами, расположенными ниже, т.е. в первых рядах по ходу движения теплоносителя. Это приводит к ухудшению работы ребер, расположенных в верхних областях и к нецелесообразности использования поверхностей, имеющих значительную длину в направлении движения теплоносителя (воздуха). В основу изобретения поставлена задача усовершенствования теплообменной поверхности, в которой путем взаиморасположения вертикальных непрерывных ребер и дискретных ребер обеспечивается повышение коэффициента теплоотдачи теплообменной поверхности и за счет этого обеспечивается возможность изготовления теплообменников различной высоты без снижения их эффективности. Поставленная задача решается тем, что в теплообменной поверхности, содержащей систему рядов дискретных ребер, согласно изобретению, система рядов дискретных ребер выполнена в виде ячеек, сформированных двумя вертикальными непрерывными ребрами и расположенными между ними дискретными ребрами, установленными под углом с образованием канала подвода теплоносителя между внутренней поверхностью одного из вертикальных непрерывных ребер и нижними торцами дискретных ребер и канала отвода теплоносителя между внутренней поверхностью другого непрерывного вертикального ребра и верхними торцами дискретных ребер. Наличие оребренных ячеек, из которых состоит оребренная поверхность, в состав которых входит два вертикальных непрерывных ребра и ряд дискретных ребер с некоторым углом наклона создает условия, при которых имеется два канала - подвода холодного и отвода нагретого воздуха. В система ячеек теплообменной поверхности в условиях естественной конвекции возникает дополнительное движение воздуха вверх по течению (эффект тяги), что увеличивает коэффициент теплоотдачи на оребренной поверхности. Наличие вертикального ребра между двумя рядами дискретных ребер не позволяет проникать нагретому теплоносителю от одного ряда дискретных ребер к соседнему ряду, т.е. не происходит ухудшение условий теплообмена для дискретных ребер, расположенных далеко по ходу движения теплоносителя. Ширина канала подвода теплоносителя выбирается равной толщине пограничного слоя, сформированном на внутренней поверхности вертикального ребра и вычисляется по формуле: где - длина вертикального ребра; - число Прандтля (для воздуха число Грасгофа; - ускорение силы тяжести; коэффициент объемного внешнего теплоносителя; расширения - температурный напор между поверхностью ребра и внешним теплоносителем, имеющих, соответственно, температуру и Выбор расстояния по формуле (1) приводит к тому, что температура внешнего теплоносителя и коэффициент теплоотдачи для всех дискретных ребер независимо от их расположения будет одинаковым. Т.к. толщина пограничного слоя на вертикальном ребре невелика даже для достаточно протяженных ребер (например, при длине ребра толщина пограничного слоя составляет то это дает возможность иметь теплообменную поверхность с компактным расположением ребер и высоким коэффициентом теплоотдачи. Установка дискретных ребер под углом 30 - 70° необходима для отвода спутных течений, возникающих после отрыва пограничных слоев на каждом дискретном ребре по каналу отвода. Угол 30 - 70° является наиболее оптимальным, поскольку теплоотдача ребер в этом диапазоне будет наибольшей. Расстояние между дискретными ребрами выбирается равным удвоенной толщине пограничного слоя на дискретном ребре и вычисляется по формуле: где кроме обозначений, приведенных выше для формулы (1), имеются обозначения: - длина дискретного ребра; - число Грасгофа; - температурный напор между поверхностью дискретного ребра и внешним теплоносителем, имеющим, соответственно, температуру и - угол наклона дискретных ребер. Расстояние между дискретными ребрами, рассчитанное по формуле (2) обеспечивает наибольшие значения коэффициентов теплоотдачи на их поверхности. Таким образом, обеспечивается технический результат повышение коэффициента теплоотдачи. Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематически изображена теплообменная поверхность, общий вид; на фиг.2 фронтальная проекция теплообменной поверхности; на фиг.3 - график значений межреберных расстояний для дискретных ребер в зависимости от длины дискретного ребра 1 и температурного напора при угле наклона ребер равном на фиг.4 - график зависимости ширины канала подвода холодного тепловых потоков на поверхности с вертикальным теплоносителя от длины вертикального непрерывного ребра и температурного напора непрерывным оребрением (Бар-Коэн, Розенау. Термически оптимальный промежуток между вертикальными параллельными пластинами, охлаждаемыми свободной конвекцией. Теплопередача, 1984, Т.1), поверхностью с дискретными ребрами, расположенными в на фиг.5 - сопоставление тепловых потоков, отводимых поверхностью с вертикальными непрерывными ребрами дискретными ребрами, поверхностью с расположенными в шахматном порядке и потоков, отводимых с предлагаемой поверхности на фиг.6 зависимость отношения от длины дискретных ребер. Теплообменная поверхность включает вертикальные непрерывные ребра 1; дискретные ребра 2; канал подвода теплоносителя 3; канал отвода теплоносителя 4. Теплообменная поверхность состоит из ячеек и работает следующим образом. Холодный воздух поступает в канал подвода 3 оребренной системы, который расположен слева от ряда дискретных ребер 2 по ходу движения теплоносителя. Холодный воздух нагревается на каждом ребре 2 из ряда дискретных ребер и отводится в канал отвода 4 нагретого воздуха, который расположен справа от ряда дискретных ребер 2 по ходу движения теплоносителя. Отвод нагретого воздуха осуществляется из-за наклона дискретных ребер 2. Кроме течения теплоносителя в оребренной ячейке за счет формирования пограничных слоев на вертикальном непрерывных 1 и дискретных ребрах 2 в каналах ячейки 3, 4 возникает дополнительное течение за счет перепада давлений в нижней и верхней части поверхности, т.н. эффект тяги. Наличие этого эффекта дополнительно увеличивает коэффициент теплоотдачи оребренной поверхности. Наличие вертикальных непрерывных ребер 1 между рядами дискретных ребер 2 создает условия, при которых нагретый воздух, проходящий по каналу отвода 4 не поступает к соседнему ряду дискретных ребер 2. Таким образом, создаются такие условия течения, когда все ребра 2 в ряду дискретных ребер омываются холодным воздухом, находятся в одинаковых условиях и имеют высокий коэффициент теплоотдачи. Эти условия созданы также специальным выбором ширины канала подвода 3 холодного воздуха (формула 1), когда это расстояние больше максимальной толщины пограничного слоя на вертикальном непрерывном ребре 1 и нагретый воздух на поверхности этого ребра не может омывать дискретные ребра 2. Оптимальный выбор ширины каналов подвода 3 и отвода 4 для теплоносителя и межреберного расстояния между дискретными ребрами 2 позволяет создать наиболее компактное расположение ребер, при котором коэффициент теплоотдачи оребренной поверхности будет максимальным. Используя зависимости, приведенные на фиг.3, 4, можно определить необходимые расстояния и для различной геометрии оребрения и разных температурных режимов теплообменной поверхности не прибегая к расчетным формулам (1), (2). Зависимости, представленные на фиг.4, показывают, что при сравнении отводимых шахматном порядке (Спэрроу, Пракаш. Интенсификация теплоотдачи свободной конвекцией от вертикальных дискретных пластин. Теплопередача, 1980, Т.2) и теплового потока, снимаемого с предлагаемой поверхности отношение максимально для поверхности, представленной в изобретении. Как следует из фиг.4, с увеличением размеров оребренной поверхности величина для поверхности с дискретными ребрами падает, а для предлагаемой оребренной поверхности растет. Это указывает на тот факт, что с увеличением размеров теплообменной поверхности конструкция оребрения, предложенная в изобретении более эффективна, чем в выбранном прототипе. Зависимость, приведенная на фиг.6, показывает, что существует оптимальная длина дискретных ребер при которой теплосъем с предлагаемой оребренной поверхности максимален. Предлагаемая теплообменная поверхность может быть использована при конструировании отопительных приборов, воздухоподогревателей и другого теплообменного оборудования, работающего в условиях как естественной, так и вынужденной (принудительной) конвекции. Изготовление предлагаемой поверхности может быть выполнено штамповкой продольных и ряда дискретных ребер из листового железа, меди и алюминия с последующей приваркой или пайкой штампованных секций к несущей поверхности.