Теплообмінна поверхня

Теплообмінна поверхня з заглибинами, що складаються з ямок та прилеглих до них канавок, глибина яких збільшується в напрямку до ямки, які розміщені рядами з поперечним і поздовжнім кроками, яка відрізняється тим, що заглибини розміщені в шаховому порядку, а ямки утворені обертанням плавної кривої-твірної навкруг осі, нахиленої до поверхні, на якій формуються заглибини, під 30701 2) малою відносною довжиною канавок при прийнятому розміщенні ямок; 3) неузгодженим розташуванням заглибин в сусідніх рядах. В основу винаходу поставлена задача удосконалення теплообмінної поверхні, в якій шляхом збільшення областей живлення струменів, які втікають в заглибини, скорочення зон відриву на вході в заглиблення, а також зменшення гальмуючої взаємодії течій в сусідніх заглибинах забезпечується інтенсифікація теплообміну в широкому діапазоні швидкостей теплоносія і за рахунок цього зменшуються габарити та матеріаломісткість теплообмінника. Поставлена задача вирішується тим, що на теплообмінній поверхні з заглибинами, що складаються з ямок та прилягаючих до них канавок, глибина яких збільшується в напрямку до ямки, які розміщені рядами з поперечним і поздовжнім кроками, згідно з винаходом заглибини розміщені в шаховому порядку, а ямки утворені обертанням плавної кривої-твірної навкруги осі, на хиленої до поверхні, на якій формуються заглибини, під кутом, величина якого лежить в межах від 90° до 67°, причому кут між твірною і поверхнею, на якій формуються заглибини, на краю ямки лежить в діапазоні від 5° до 90°, а в центрі ямки кут між твірною і віссю ямки становить 90°, відношення максимальної глибини ямки до її поперечного розміру знаходиться в межах від 0,05 до 0,5, а величина відношення поперечного кроку до поздовжнього лежить в діапазоні від 1,7 до 1,1, при цьому кожна ямка виконана з коритоподібною канавкою, радіус заокруглення якої дорівнює радіусу кривизни твірної, а ширина канавки в місці стику з ямкою дорівнює поперечному розміру ямки, при ширині канавки в місці її початку меншій або рівній поперечному розміру ямки, і дно канавки є продовженням дна ямки. Пристрій з переліченими ознаками дозволяє збільшити інтенсивність теплообміну між теплообмінною поверхнею і потоком теплоносія за рахунок руйнування межового шару і більш інтенсивного його перемішування з основним потоком, яке здійснюється вихорами, що утворюються над заглибинами теплообмінної поверхні. Кожний такий вихор затягує в обертання сусідні шари теплоносія, але взаємне гальмування вихорів невелике, бо при запропонованому співвідношенні поздовжнього і поперечного кроків розміщення заглиблень виконується умова мінімізації сили гідродинамичної взаємодії двох тіл в потоці [3]. При обтіканні теплоносієм вхідного краю ямки чи канавки 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. Теплообмін в зоні рециркуляції послаблений. Нахил осі циліндричної ямки в напрямі потоку та застосування канавки з безпороговим входом (початкова глибина канавки дорівнює нулю) дозволяє мінімізувати площу теплообмінної поверхні, блокованої зонами рециркуляції. Потужність вихора над ямкою, його інтенсифікуюча дія на теплообмін, залежить від кількості теплоносія, що надходить в заглиблення. Застосування шахового розміщення заглиблень та розширення входу в канавки до розмірів обмежених ли ше позицією сусідніх ямок дозволяє гранично збільшити потоки теплоносія в ямки. Відомо, що при великих (звукових та надзвукових) швидкостях обтікання ефективність теплообмінних поверхонь з ямками зрівнюється з ефективністю гладких поверхонь [4]. При цьому інтенсифікація теплообміну в місці взаємодії імпактного струменю зі стінкою на виході з ямки компенсується погіршенням теплообміну в вхідній зоні, де звичайно утворюється відрив. Широка з нахиленим дном канавка, яка не має уступів чи зламів при входженні в ямку призводить до збільшення зони взаємодії струменю і стінки ямки, зменшуючи при цьому можливість утворення відриву потоку. Це розширює діапазон швидкостей, при яких буде спостерігатися ефективна робота запропонованої теплообмінної поверхні. Всі відмінні ознаки запропонованого пристрою сприяють інтенсифікації теплообміну, що дозволяє зменшити габарити та матеріаломісткість теплообмінника. Виконання умови співвідношення поперечного до повздовжного кроків розміщення заглибин на теплообмінній поверхні призводить до того, що сусідні заглибини з вихоровими структурами над ними розміщуються в місцях, де дія збурення від вихору над заглибиною, що розглядається, мінімальна [3]. Інтенсивність вихору над заглибиною прямо залежить від кількості теплоносія, що надходить в заглибину. В запропонованому пристрої зона живлення вихору в заглибині (ширина канавки) максимальна і обмежується лише технологічними умовами виконання стінок між окремими заглибинами. В прототипі зона живлення вихору, утворена в основному канавкою та частково переднім краєм ямки, при інших однакових умовах менша, бо частина потоку, що зривається з вхідного краю канавки і ямки, в ямку не попадає. Особливо це помітно при високих швидкостях теплоносія [4], коли зона відриву біля вхідного краю збільшується, а зона зустрічі струменю, що входить в ямку, зі стінкою (імпакт) ледве компенсує зменшення тепловіддачі в зоні відриву. Передні краї заглибин є причиною виникнення зон відриву, в яких тепловіддача низька. Влаштування максимально широкої (завбільшки в діаметр ямки) канавки, яка взагалі не має гострого краю, дозволяє зменшити до мінімуму утворення вхідної зони з ослабленою тепловіддачею. Плавність входу потоку до ямки забезпечується відносно великою довжиною канавки, яка визначається співвідношенням глибини ямки і повздовжного кроку, що окреслює кут нахилу дна канавки і ямки. Таким чином, при щільному розміщенні ямок з урахуванням необхідності влаштування стінок між сусідніми ямкою та канавкою при співвідношенні поперечного кроку розташування заглибин до поздовжнього від 1,7 до 1,1 і відносній глибині ямок від 0,05 до 0,5 кут нахилу осі ямки до початкової поверхні, на якій формуються заглибини, буде знаходитись в межах від 90° до 67°. Межі відношення максимальної глибини ямки до її діаметру визначались з експериментів, які показали, що інтенсивність тепловіддачі в ямках з відносною глибиною h/d меншою від 0,05 не відрізняється (на фоні експериментальної похибки) від інтенсивності тепловіддачі на рівній поверхні; в 2 30701 глибоких ямках зі співвідношенням h/d більшим від 0,5 можливе утворення двоповерхових вихорових структур, які різко погіршують тепловіддачу. При співвідношенні h/d рівним 0,5 інтенсивність тепловіддачі ще значна, але вже помітної величини досягає гідравлічний опір теплообмінної поверхні, що знижує ефективність теплообмінника. Рівність радіусів скруглення циліндричної частини ямки і канавки, однаковость глибин ямки та канавки в місці їх стикання, прямий кут між твірною і віссю ямки в центрі ямки та співпадання площин дна ямки і дна канавки обумовлені вимогами безударного входу і боротьбою з утворенням можливих зон відриву. Гідравлічний опір, який створює теплообмінна поверхня з заглибинами, залежить, крім інших факторів, від кута, під яким потік теплоносія виходить з ямки. Експериментально доведено, що для прийнятних гідравлічних характеристик при невеликих швидкостях теплоносія цей кут, який дорівнює кутові на краю ямки між твірною і початковою поверхнею, на якій формуються заглибини, може бути до 90°. При збільшенні швидкості теплоносія для зменшення гідравлічного опору доводиться застосовува ти ямки з меншим кутом між твірною і поверхнею на краю ямки, але при кутах менших за 5° сумарна інтенсифікація за допомогою заглибин стає незначною в зв'язку з тим, що питома щільність ямок з розлогими вихідними краями стає малою. Додатковим позитивним фактором запропонованого винаходу є покращена самоочистка теплообмінної поверхні. Інтенсивний вихоровий рух над кожною ямкою створює поблизу її центр у зону пониженого тиску, куди зтягуються, а потім викидаються вздовж осі вихору в основний потік забруднення, які не встигли отримати міцного зчеплення з теплообмінною поверхнею. Додатковим позитивним фактором використання запропонованого пристрою є розширення діапазону швидкостей, в якому відбуватиметься інтенсифікація теплообміну в зв'язку з тим, що вхід в ямку за допомогою запропонованої максимально широкої канавки виконано ще й максимально плавним, що гранично зменшує вхідн у зону відриву, в той час як зона дії імпактного струменю на вихідній поверхні ямки максимально зростає. Таким чином досягається очікуваний технічний результат, а саме - інтенсифікація теплообміну в широкому діапазоні швидкостей теплоносія. В нижченаведеній таблиці подано порівняльний аналіз пристрою, що пропонується, і прототипу. Таблиця № п/п 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ознака Прототип 2 Розташування заглибин (ямок) Відношення кроків розміщення ямок поперечного до поздовжнього 3 коридорне Винахід, що пропонується 4 шахове не регламентується в межах 1,7-1,1 прямий циліндр і сферичний сегмент циліндричні не регламентується в межах 0,05-0,5 90° в межах 5°-90° 90° в межах 90°-67° є з трикутним перетином є коритоподібна несиметричне симетричне є є Вид ямок Відношення глибини ямки до її поперечного розміру Кут між початковою поверхнею, на якій утворюються ямки, і краєм поверхні ямки Кут нахилу осі симетрії ямки до початкової поверхні Наявність канавки, що зтикається з ямкою Вид канавки Розміщення канавки по відношенню до осі симетрії ямки Збільшення глибини канавки в напрямку до ямки На фіг. 1 наведено загальний вигляд теплообмінної поверхні зверху, на фіг. 2 - поперечний розріз А-А по центру ямки, в місці стикання ямки і канавки, на фіг. 3 повздовжний розріз В-В по ямці і канавці. Де: 1 - заглибина, 2 - ямка, 3 - прилягаюча до ямки канавка; S2, S1 - поздовжній та поперечний кроки розміщення заглибин, d та h - поперечний розмір та максимальна глибина ямки, DD – початкова поверхня, на якій утворюються ямки, ОС вісь ямки, j1 - кут між віссю ямки і початковою поверхнею, на якій утворюються ямки, j2 - кут між твірною і початковою поверхнею, на якій утворюються ямки, на краю ямки, j3 - кут між твірною і віссю ямки в центрі ямки, R - радіус скруглення ямки та канавки. Теплообмінна поверхня працює наступним чином. В процесі тепловіддачі головним опором перетіканню теплоти є межовий шар, в якому швидкості знижені внаслідок тертя об стінку. При обтіканні заглибин 1 над кожною з них утворюється подібний до смерча вихор. Така вихорова структура, пронизуючи межовий шар, сприяє всмоктуванню часточок газу чи рідини біля теплообмінної поверхні та викиданню їх в ядро потоку, що інтенсифікує тепловіддачу. Потік, що потрапляє в ямку 2 по канавці 3, утворює стр умінь, який, зустрічаючи стінку ямки 2, інтенсивно її омиває та закручується в ту чи іншу сторону. При цьому відносне збільшення тепловіддачі виявляється більшим від відносного зростання гідравлічного опору. 3 30701 Приклад Експериментально визначались коефіцієнти тепловіддачі та гідравлічний опір при обтіканні повітрям однорядного пучка труб діаметром 25 мм, формованих циліндричними ямками з коритоподібними канавками, розміщеними в шаховому порядку. Для порівняння була також випробувана гладкотрубна поверхня теплообміну. З метою підвищення точності експерименту були застосовані калориметричні методи визначення середнього коефіцієнту тепловіддачі. Використовувались два варіанти експериментального стенду, коли в трубцікалориметрі, наповненій водою, відбувалось утворення льоду при обтіканні її потоком повітря з температурою нижче нуля градусів Цельсія, або плавлення попередньо утвореного льоду при обтіканні трубки повітрям з позитивною температурою. Були випробувана теплообмінна поверхня з ямками діаметром 2,6 мм і максимальною глибиною 0,6 мм. Показано, що в дослідженому інтервалі швидкостей від 2 до 10 м в секунду відносний приріст інтенсивності тепловіддачі від застосування ямок в порівнянні з випадком гладкої поверхні досягає 48%, в той час, як гідравлічний опір залишається практично незмінний, а в деяких випадках навіть зменшується. В даний час Україна потребує впровадження сучасних те хнологій, які забезпечували б економію матеріальних та енергетичних ресурсів, тому запропонований пристрій знайде широке застосування в енергетиці, хімічній промисловості та в інших галузях. Джерела інформації 1. А.с. 1638539 СССР, МКИ5 F28F3/04, F28F1/16. Теплообменная поверхность. Демченко И.Ф., Серков А.Г., Мороз А.Г., Горбатенко И.В., Козлов Ю.Г., Ми гай В.К., Кикнадзе Г.И., Чушкин Ю.В. (СССР) - № 4673200/00-06; заявл. 04.04.1980; опубл. 30.03.1991 // Открытия изобретения. - 1991. – Бюл. № 12. 2. Патент на винахід 13888 А Україна, МПК 5 F28F1/10, F28F3/02. Теплообмінна поверхня. Халатов А.А., Коваленко Г.В., Гелетуха Г.Г. № 94076174; заявл. 12.07.1994; опубл. 25.04.1997. Бюл. № 2. 3. Bjerkness V. Vorlesungen uber hidrodynamische Fernkrafte.- Leipzig, 1902, 190 s. 4. Боровой В.Я., Яковлев Л.В. Теплообмен при сверхзвуковом обтекании одиночной лунки // Механика жидкости и газа. – 1991. - № 5. - С. 48-52. Фіг. 1 Фіг. 2 4 30701 Фіг. 3 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5