Теплообмінна труба

Реферат: Теплообмінна труба містить корпус краплеподібної форми в поперечному перерізі. Прямі бокові, звернені в потік, зовнішні поверхні корпусу труби оснащені поздовжніми ребрамивиступами, розміри та крок яких виконані за умови отримання прийнятного співвідношення між зростанням передаваного теплового потоку та підвищенням рівня аеродинамічного опору. UA 87032 U (12) UA 87032 U UA 87032 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі теплотехніки і може бути використана для створення теплопередаючих поверхонь різноманітних теплообмінних апаратів. Відома теплообмінна труба [див., наприклад, книгу Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. – М.: Наука, 1982. - С. 173, рис. 10.1], що містить корпус круглої форми в поперечному перерізі. Ефективність такої теплообмінної труби, як інтегральна характеристика, що об'єднує теплообмін та аеродинамічний опір, є відносно невисокою. При обтіканні труби круглої форми найбільша інтенсивність тепловіддачі має місце в лобовій частині. Після відривання потоку на куті (8283)°, який відраховується від критичної лобової точки, швидкість потоку різко знижується, тиск зростає, потік в кормовій області стає вихровим. Але із-за малих локальних швидкостей в цій зоні спостерігається низька інтенсивність тепловіддачі. Кругла форма поперечного перерізу теплообмінної труби характеризується значними втратами тиску при поперечному її обтіканні потоком теплоносія, наслідком чого є високі витрати потужності на подолання аеродинамічного опору. Як найбільш близький аналог вибрана інша відома теплообмінна труба [див., наприклад, книгу Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. М.-Л.: Энергия, 1966. - С. 29, табл. 2-3, поверхность № 4], що містить корпус краплеподібної форми в поперечному перерізі. Теплообмінна труба з таким поперечним перерізом має більшу ефективність в порівнянні з трубою з круглим поперечним перерізом внаслідок меншого аеродинамічного опору. Коефіцієнт повного опору, що є сумою коефіцієнтів опору тиску (форми) і опору тертя, для більш обтічної форми краплеподібних труб менший за рахунок значно меншого коефіцієнта опору тиску. Відповідно відомим даним [див., наприклад, статтю Tepex A.M., Руденко А.И., Жукова Ю.В., Семеняко А.В., Кондратюк В.А. Аэродинамическое сопротивление одиночных труб каплеобразной формы и визуализация их обтекания// Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - № 6/8 (60), с. 65, рис. 4] аеродинамічний опір труб краплеподібної форми в поперечному перерізі в залежності від відношення довжини профілю до більшого діаметра в (1,5-5-2,5) разу менший в порівнянні з трубами круглого поперечного перерізу. В той же час середні конвективні коефіцієнти тепловіддачі для обох форм труб в поперечному перерізі з рівними периметрами практично однакові. Ця рівність визначається практично однаковими рівнями інтенсивності тепловіддачі як на лобових ділянках труб обох форм в поперечному перерізі, так і на тильних їх ділянках. Теплообмінні труби з круглим і краплеподібним поперечними перерізами та з однаковими зовнішніми поверхнями, відповідно закону Ньютона-Рихмана, характеризуються і практично однаковим передаваним тепловим потоком (при одному і тому ж температурному напорі). В основу корисної моделі поставлено задачу створення теплообмінної труби, в якій нова форма прямих бокових, звернених в потік, зовнішніх її поверхонь дозволила б забезпечити підвищення ефективності за рахунок інтенсифікації тепловіддачі та розвинення поверхні, кінцевим підсумком чого є збільшення передаваного теплового потоку при помірному зростанні аеродинамічного опору. Поставлена задача вирішується тим, що в теплообмінній трубі, яка містить корпус краплеподібної форми в поперечному перерізі, згідно з корисною моделлю, прямі бокові, звернені в потік, зовнішні поверхні корпусу труби оснащені поздовжніми ребрами-виступами, розміри та крок яких виконані за умови отримання прийнятного співвідношення між зростанням передаваного теплового потоку та підвищенням рівня аеродинамічного опору. Ребра-виступи можуть мати квадратну, прямокутну, трикутну, овальну, трапецієвидну форму в поперечному перерізі. Оснащення прямих бокових, звернених в потік, зовнішніх поверхонь корпусу труби поздовжніми ребрами-виступами, розміри та крок яких виконані за умови отримання прийнятного співвідношення між зростанням передаваного теплового потоку та підвищенням рівня аеродинамічного опору, причому ребра-виступи можуть мати квадратну, прямокутну, трикутну, овальну, трапецієвидну форму в поперечному перерізі, дозволяє забезпечити підвищення її ефективності шляхом: інтенсифікації теплообміну на прямих бокових, звернених в потік, зовнішніх поверхнях корпусу труби з ребрами-виступами на них в результаті турбулізації прилеглого до бокових зовнішніх стінок труби потоку (відривання та зривання потоку на виступах та впадинах, що чергуються та задаються визначеним кроком між ребрами); збільшення площі теплообмінної поверхні за рахунок додаткової площі ребер-виступів. Внаслідок дії обох цих чинників зростає передаваний тепловий потік з поверхні цієї труби. Таке зростання передаваного теплового потоку є прийнятним до деякого його значення, що визначається у кожному конкретному випадку розрахунковими методами або експериментально в результаті розрахунку або вимірів одночасно зростаючого аеродинамічного опору, 1 UA 87032 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 максимальна величина якого визначається потужністю застосовуваного устаткування для подолання цього опору. В залежності від вибраної форми поперечного перерізу ребер-виступів та їх кількості на прямій боковій, зверненій в потік, зовнішній поверхні корпусу труби, зростання площі може досягати 40 %. Наприклад, при спорядженні бокової поверхні труби краплеподібної форми в поперечному перерізі, що має більший D=24 мм і менший d=10 мм діаметри та довжину L=51 мм, п'ятьма ребрами-виступами висотою та шириною 2 мм (квадратна форма ребер-виступів) та кроком між ними t=1 мм, а також відстанями від початку більшого закруглення до першого ребра е1=3 мм та від останнього ребра до початку меншого закруглення е2=2 мм, зростання периметру складає 32,5 %. Якщо врахувати ще і збільшення коефіцієнта тепловіддачі на (812) % за рахунок інтенсифікації теплообміну на бокових поверхнях труби, то загальний тепловий потік збільшиться в (1,41,45) разу в порівнянні з трубою краплеподібної форми в поперечному перерізі без ребер-виступів, що підтвердили результати проведених експериментальних досліджень. Оснащення труби краплеподібної форми в поперечному перерізі ребрами-виступами супроводжується збільшенням аеродинамічного опору. Наприклад, для труби краплеподібної форми з тими ж параметрами (D=24 мм, d=10 мм, L=51 мм, е1=3 мм, е2=2 мм) з п'ятьма ребрами-виступами висотою та шириною 2 мм збільшення опору досягає (2025) % відносно труби краплеподібної форми в поперечному перерізі без ребер-виступів. Збільшення кроку між ребрами - виступами тих же розмірів до t=14 мм для труби з такими ж параметрами призводить до зростання аеродинамічного опору в порівнянні до труби з кроком t=7 мм на (1015) %. Таким чином, наявність ребер-виступів на трубі краплеподібної форми приводить до зростання передаваного теплового потоку при помірному підвищенні рівня аеродинамічного опору у діапазоні параметрів оребрення, що визначається розрахунковими методами або експериментально. Технічна суть та принцип дії запропонованої теплообмінної труби пояснюється кресленням. На кресленні зображена теплообмінна труба, яка включає в себе корпус труби 1 краплеподібної форми в поперечному перерізі з більшим діаметром D, меншим діаметром d, довжиною L, відстанями від початку більшого закруглення до першого ребра е 1 та від останнього ребра до початку меншого закруглення е2. Прямі бокові, звернені в потік, зовнішні поверхні 2 корпусу труби 1 оснащені поздовжніми ребрами-виступами 3 шириною а, висотою b та кроком між ними t. Внутрішня поверхня 4 корпусу 1 труби є гладкою. Напрям руху набігаючого потоку позначено стрілкою з написом W H. Теплообмінна труба працює наступним чином. Зовні, в поперечному напрямі по відношенню до корпусу 1 труби пропускають гарячий теплоносій W H, який нагріває його зовнішню поверхню 2, далі за рахунок теплопровідності нагрівається внутрішня поверхня 4 корпусу труби, від якої тепловий потік вимушеною конвекцією передається до теплоносія, що рухається всередині труби. Або, навпаки, всередині корпусу 1 труби пропускають гарячий теплоносій, який передає тепловий потік по ланцюгу: внутрішня поверхня 4 - корпус 1 - зовнішня поверхня 2, від якої тепловий потік передається до холодного теплоносія зовні корпусу 1 труби. Таким чином відбувається теплообмін між двома теплоносіями. При рухові теплоносія зовні теплообмінної труби відбувається збільшення передаваного теплового потоку за рахунок: 1) інтенсифікації теплообміну внаслідок турбулізації прилягаючого до бокових стінок труби потоку (відривання та зривання потоку на виступах та впадинах, що чергуються з визначеним кроком між ними); 2) розвинення теплообмінної поверхні ребрами-виступами в порівнянні з трубою такої ж форми в поперечному перерізі без ребер-виступів. В залежності від вибору форми поперечного перерізу ребер-виступів, їх розмірів та кількості, зростання поверхні може досягати 40 %, а, відповідно, і зростання передаваного теплового потоку, на величину якого також впливає збільшення коефіцієнта тепловіддачі а при турбулізації потоку. Ребра-виступи на зовнішній поверхні труби помірно збільшують аеродинамічний опір при рухові зовнішнього теплоносія, зростання якого складає (2025) % по відношенню до труби з тими ж розмірами та тією ж формою поперечного перерізу, але без ребер-виступів з вказаними параметрами. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 1. Теплообмінна труба, що містить корпус краплеподібної форми в поперечному перерізі, яка відрізняється тим, що прямі бокові, звернені в потік, зовнішні поверхні корпусу труби оснащені поздовжніми ребрами-виступами, розміри та крок яких виконані за умови отримання прийнятного співвідношення між зростанням передаваного теплового потоку та підвищенням рівня аеродинамічного опору. 2 UA 87032 U 5 10 2. Теплообмінна труба за п. 1, яка відрізняється тим, що ребра-виступи мають квадратну форму в поперечному перерізі. 3. Теплообмінна труба за п. 1, яка відрізняється тим, що ребра-виступи мають прямокутну форму в поперечному перерізі. 4. Теплообмінна труба за п. 1, яка відрізняється тим, що ребра-виступи мають трикутну форму в поперечному перерізі. 5. Теплообмінна труба за п. 1, яка відрізняється тим, що ребра-виступи мають овальну форму в поперечному перерізі. 6. Теплообмінна труба за п. 1, яка відрізняється тим, що ребра-виступи мають трапецієвидну форму в поперечному перерізі. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3