Пристрій для підвищення тепломасопереносу

Реферат: Пристрій для підвищення тепломасопереносу складається з теплообмінної поверхні, на якій виконані заглиблення у формі сегмента циліндричної поверхні, розташованої поперек потоку, радіус циліндричного дна заглиблення становить 0,8 довжини заглиблення, а бічні стінки заглиблення вертикальні. В місці поперечного центрального вертикального перерізу заглиблення в бокових стінках виконані симетричні щодо цього перерізу по одній вертикальній напівциліндричній канавці, діаметр яких дорівнює 0,2 довжини заглиблення, а поверхні канавок в місці перетину передньої і задньої кромки канавок з боковою поверхнею запропонованого заглиблення заокруглені відповідно радіусом, що дорівнює 0,05 довжини заглиблення, і радіусом, що дорівнює 0,1 довжини заглиблення, таким чином, що передня кромка при внутрішньому закругленні стає гострою, а задня кромка при зовнішньому закругленні стає плавною. Глибина заглиблення дорівнює діаметру вертикальної канавки, а ширина заглиблення дорівнює 0,4 її довжини. Перетин передньої і задньої кромки дна заглиблення з теплообмінною поверхнею заокруглені радіусом, що дорівнює 0,25 довжини заглиблення. UA 100227 U (12) UA 100227 U UA 100227 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, а також для управління характеристиками динамічного примежового шару і потоку. Відома теплообмінна поверхня, що містить напівсферичні лунки з пов'язаними додатковими симетричними заглибленнями, що мають постійну ширину, кут між площиною симетрії додаткового заглиблення та вектором швидкості набігаючого потоку середовища знаходиться в межах 30°÷45°, площина симетрії додаткового заглиблення проходить через полюс сферичної лунки і перпендикулярна до теплообмінної поверхні, ширина заглиблення знаходиться в межах 0,2÷0,8 і максимальна глибина заглиблення повинна бути менше 0,8 радіуса лунки, а також кут між площиною основи заглиблення та теплообмінною поверхнею повинен бути в межах 15°÷45°, причому додаткові заглиблення, розташовані на теплообмінної поверхні, примикають до сферичної лунки тільки в області її передньої по потоку половини і додаткових заглиблень може бути два, які розташовуються симетрично щодо напрямку вектора швидкості набігаючого потоку середовища [1]. Недоліком запропонованої поверхні є те, що додаткове заглиблення при любому вказаному куту заглиблення перетинається з напівсферичної лункою так, що утворюється сходинка, за якою виникає відрив потоку, що рухається по додатковому заглибленню. Це призводить до втрати ефективності запропонованого пристрою. Виконані дослідження кінематичних характеристик примежового шару при обтіканні круглих лунок у вигляді півсфери, а також візуалізація характеру течії в лунках та їх околицях показали, що залежно від чисел Рейнольдса в лунках формуються різні типи вихрових структур, переважно у вигляді двох веретеноподібних поздовжніх вихорів, розташованих з боків поглиблення лунок [2-4]. Кут напрямку потоку в додатковому заглибленні спрямований під різними кутами до вертикальної осі симетрії напівсферичної лунки. Це призводить до руйнування сформованих в лунці вихорів і їх викиду з лунки під кутом до основного напрямку потоку, що призведе до додаткових гідравлічних втрат. Якщо встановлено два додаткових заглиблення, то потоки, що випливають з них в лунку, будуть зустрічатися в лунці, що також призведе до додаткових гідравлічних втрат. Якщо ширина додаткових заглиблень складає 0,8 радіуса лунки, то при встановленні двох додаткових заглиблень відбудеться їх з'єднання, що не відповідає формулі корисної моделі. Все це призводить до істотного зниження ефективності теплообміну. Найбільш близьким по технічній суті до корисної моделі "Пристрій для підвищення тепломасопереносу", що заявляється, є прийнята за прототип "Теплообмінна поверхня" [5], яка складається з плоскої пластинки з ямками та прилеглими до них заглибленнями, глибина яких збільшується в напрямку до ямки, які розміщені рядами в шаховому порядку, а ямки утворені обертанням плавної кривої-твірної навкруг осі, нахиленої до поверхні, на якій формуються заглиблення, під кутом, величина якого лежить в межах від 90° до 67°, причому кут між твірною і поверхнею, на якій формуються заглиблення, 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 коритоподібним заглибленням, радіус заокруглення якого дорівнює радіусу кривизни твірної, а ширина заглиблення в місці стику з ямкою дорівнює поперечному розміру ямки, при ширині заглиблення в місці її початку меншій або рівній поперечному розміру ямки, і дно заглиблення є продовженням дна ямки. Недоліком прототипу є те, що запропонована форма заглиблень дозволяє плавно входити потоку в ямку, в якій не формуються вихрові структури, але при виході з ямок потік вихлюпується вгору в місці задньої кромки ямки, що призводить до відриву потоку за ямкою. Крім цього при запропонованому розташуванні заглиблень один за одним в наступну ямку надходить не гладкий потік, а потік, що відірвався за попередньою ямкою, що істотно змінює структуру течії. Все це призводить до зниженню теплообміну. В основу корисної моделі поставлено задачу розробки ефективного принципово нового пристрою для підвищення тепломасопереносу, який складається з нових форм поздовжніх прямокутних наскрізних заглиблень, виконаних в теплообмінній поверхні, в бокових стінках заглиблень виконано по одній вертикальній напівциліндричній канавці, в яких формуються вертикальні вихорі, які при виході з канавок по боках заглиблення утворюють пару поздовжніх вихорів, що обертаються назустріч один одному. Все це призводить до істотної зміни структури течії в канавках і за ними і, за рахунок цього, до суттєвого підвищення тепломасопереносу в широкому діапазоні швидкостей теплоносія. Поставлена задача вирішується відповідно до корисної моделі за рахунок того, що на теплообмінній поверхні виконані заглиблення у формі сегмента циліндричної поверхні, 1 UA 100227 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розташованої поперек потоку, радіус циліндричного дна заглиблення становить 0,8 довжини заглиблення, а бічні стінки заглиблення вертикальні, причому в місці поперечного центрального вертикального перерізу заглиблення в бокових стінках виконані симетричні щодо цього перерізу по одній вертикальній напівциліндричній канавці, діаметр яких дорівнює 0,2 довжини заглиблення, а поверхні канавок в місці перетину передньої і задньої кромки канавок з боковою поверхнею запропонованого заглиблення заокруглені відповідно радіусом, що дорівнює 0,05 довжини заглиблення, і радіусом, що дорівнює 0,1 довжини заглиблення, таким чином, що передня кромка при внутрішньому закругленні стає гострою, а задня кромка при зовнішньому закругленні стає плавною; глибина заглиблення дорівнює діаметру вертикальної канавки, а ширина заглиблення дорівнює 0,4 її довжини, причому перетин передньої і задньої кромки дна заглиблення з теплообмінною поверхнею заокруглені радіусом, що дорівнює 0,25 довжини заглиблення. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де: фіг. 1 показує загальний вигляд запропонованої корисної моделі, вигляд зверху; фіг. 2 показує переріз А-А на фіг. 1; фіг. 3 показує вид Б на фіг. 2; фіг. 4 показує кадр відеофільму, в якому зображено візуалізацію формування вихрових структур при обтіканні запропонованого заглиблення і теплообмінної поверхні за заглибленням; фіг. 5 показує кадр відеофільму, в якому зображено візуалізацію формування вихрових структур при обтіканні горизонтальної поперечної квадратної канавки; фіг. 6 показує кадр відеофільму, в якому зображено візуалізацію формування вихрових структур при обтіканні горизонтальної поперечної напівциліндричної канавки. На фіг. 1 наведено вид зверху теплообмінної поверхні 1, на якій розташоване поздовжнє прямокутне наскрізне запропоноване заглиблення 2 довжиною L і шириною Н=0,5L, а також дві вертикальні напівциліндричні канавки 3 діаметром d=0,2L. На фіг. 2 показаний переріз А-А на фіг. 1. На теплообмінній поверхні 1 розміщене заглиблення 2 глибиною h≤d і h/H≥0,3, радіус циліндричного дна заглиблення R=0,8L. Перетин передньої і задньої кромки дна заглиблення з теплообмінної поверхнею заокруглені радіусом r1=0,25L. На фіг. 3 показаний вигляд Б на фіг. 2. Перетин передньої і задньої кромки напівциліндричної вертикальної канавки 3 з боковою поверхнею запропонованого заглиблення заокруглені відповідно радіусом r2=0,1L і r3=0,05L. На фіг. 4 показаний вигляд зверху візуалізації обтікання запропонованого заглиблення 2, що знаходиться на обтічній поверхні 1. Заглиблення має геометричні параметри: L=20 мм, Н=14 мм, h=3 мм, поперечний переріз вертикальних канавок 3 мав квадратну форму зі стороною 3 мм. Візуалізація виконана у водному потоці за допомогою підфарбованих цівок 4 і 5, що прямують відповідно вздовж обтічної поверхні 1 і над обтічною поверхнею 1 на висоті 5 мм. Цівки 4 вказують, що на дні заглиблення формується поперечний вихор 6, а на заглиблення 2 випливають поздовжні вихорі 7, що формуються у вертикальних канавках 3 на рівні обтічної поверхні 1, та поздовжні вихорі 8, що формуються в кутах між дном і бічними стінками заглиблення. На фіг. 5 показаний вигляд зверху візуалізації обтікання в повітряному потоці квадратної поперечної горизонтальної канавки 9, що знаходиться на обтічній поверхні 7, за допомогою цівки диму 10. Потік вдаряється в задню стінку канавки 9, повертається назад і утворює в канавці поперечний вихор 11, який обертається проти потоку, як показано темною стрілкою. Періодично вихор 11 вихлюпується з канавки і рухається вниз по потоку в напрямку 12. На фіг. 6 показана така ж картина візуалізації, що виконано за допомогою цівки диму 10, формування поперечного вихору 14 в напівциліндричній поперечній горизонтальній канавці 13. Періодично вихор 14 вихлюпується з канавки 13 у формі поздовжнього вихору 15. Пристрій для підвищення теплопередачі відповідно до корисної моделі працює наступним чином. На фіг. 1, 2 прямою стрілкою праворуч показано напрямок основного потоку. В бокових двох вертикальних напівциліндричних канавках 3 формуються вертикальні вихорі, напрямок обертання яких показано закругленими стрілками. Права половина запропонованого заглиблення (фіг. 2) виконана у формі вертикального дифузора, а ліва половина у формі вертикального конфузора. Відомо, що при розширенні каналу швидкість падає, а тиск зростає, відповідно при звуженні каналу швидкість зростає, а тиск падає [6]. Завдяки цьому вихори, що сформувались у напівциліндричних канавках 3, будуть викидатися з задньої кромки верхнього поперечного перерізу канавки і будуть прямувати вздовж теплообмінної поверхні 1 - на фіг. 1 показано прямими стрілками, що розташовані за канавками, а на фіг. 2 показано кривою стрілкою, що розташована зліва зверху. Так як задня кромка верхнього поперечного перерізу 2 UA 100227 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 канавок 3 має вигляд чверті кола, то потік, що витікає зверху з канавки 3, буде закручуватися на пластині 1 праворуч по потоку від заглиблення 2 за годинниковою стрілкою, а ліворуч від заглиблення 2 - проти годинникової стрілки. У міру наближення до розташування задньої кромки заглиблення 2 швидкість потоку над заглибленням зростає, що призводить до формування з боків заглиблення 2 на теплообмінній поверхні 1 пари поздовжніх вихорів, що обертаються назустріч один одному. Відомо [6], що при обтіканні двох поперечних стінок в кутовій області між ними формується кутовий примежовий шар, в якому виникає пара поздовжніх вихорів. В кутових областях заглиблення 2 також будуть формуватись по парі поздовжніх вихорів, які при наближенні до вертикальних канавок 3 (фіг. 2) будуть частково поглинатися вертикальними вихорами, що сформовані в канавках 3, а частково будуть просуватися за канавки 3, за якими будуть зливатися з аналогічними парами вихорів, що виникають в кутовій області в заглибленні 2 за канавкою 3. При виході з заглиблення ці пари вихорів будуть з'єднуватися з поздовжніми поодинокими вихорами, що рухаються по поверхні 1 за канавками 3 (на фіг. 1 показано прямими стрілками), і утворювати за заглибленням 2 по краях системи поздовжніх вихорів. На фіг. 3 зображено переріз канавки 3, передня кромка якої має гостру кромку з радіусом закруглення r3, а задня кромка має закруглення з радіусом r2. Гостра передня кромка полегшує закручування потоку в канавці 3 і формування вертикального вихра, а задня кромка з закругленням дозволяє без втрат викидати з канавки вертикальні вихори. Ця структура потоку добре зображена на фіг. 4. Крім цього, на фіг. 4 видно, як уздовж поздовжньої осі симетрії в заглибленні також формується область завихореності, яка випливає з заглиблення в формі осьового поздовжнього вихору 6. На фіг. 5 показано поперечний вихор 11, який формується в прямокутній канавці 9 до його викиду з канавки. Видно, що в кутових місцях поперечного перерізу канавки 9 є великі області, в яких розташована загальмована рідина, що зменшує ефективність такої канавки. На фіг. 6 показаний процес формування і викиду вихору 14 з напівциліндрічної канавки 13, що має форму поперечного перерізу, подібного наведеному на фіг. 3. Видно, що в напівциліндрічній канавці вся її область поперечного перерізу заповнена вихором, а це збільшує ефективність тепломасопереносу. Запропоновані заглиблення виконуються на теплообмінній поверхні так, щоб заглиблення знаходились один за одним вздовж їх трансверсальної осі симетрії, а в поздовжньому напрямку ряди заглиблень встановлюються в шаховому порядку. Порівняльний аналіз запропонованої конструкції з найбільш близьким аналогом-прототипом показує, що усуваються визначені недоліки прототипу, а це призводить до підвищення тепломасопереносу, до збільшення продуктивності роботи запропонованої корисної моделі. Запропонована нова форма поглиблення дозволяє сформувати систему стійких найбільш продуктивних поздовжніх вихорів, що зменшують гідродинамічний опір. Важлива перевага запропонованої корисної моделі полягає в її здатності підвищити тепломасоперенос та зменшити втрати тиску. Джерела інформації:: 1. Патент на полезную модель РФ № 88118, МПК7 F28F3/02, F28F1/10. Теплообменная поверхность. Автори - Кесарев В.С, Гильфанов К.X. Опубл. 27.10.2009. 2. Бабенко В.В., Мусиенко В.П., Турик В.Н., Милюков Д.Е. Визуализация обтекания полусферических углублений // Прикладная гидромеханика, 12 (84), № 4. - 2010. - С. 3-25. 3. Бабенко В.В., Мусиенко В.П., Турик В.Н. Кинематические характеристики потока при обтекании сферических углублений // Прикладная гидромеханика, 14(86), № 3. - 2012. - С. 3-21. 4. Бабенко В.В., Мусиенко В.П., Турик В.Н. Обтекание сферического и овального углублений. // Прикладная гидромеханика, 16 (88), № 1. - 2014. - С. 3-25. 5. Патент України № 30701 UA. МПК F28F1/10, F28F3/02. Теплообмінна поверхня, Коваленко Г.В., опубл. 15.12.2000, бюл. № 7. 6. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука. - 1974. - 711 с. 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Пристрій для підвищення тепломасопереносу, що складається з плоскої пластинки з ямками та прилеглими до них коритоподібними заглибленнями, глибина яких збільшується в напрямку до ямки, а ширина заглиблення в місці стику з ямкою дорівнює поперечному розміру ямки при ширині заглиблення в місці її початку меншій або рівній поперечному розміру ямки, і дно заглиблення є продовженням дна ямки, які розміщені рядами в шаховому порядку, який відрізняється тим, що на теплообмінній поверхні виконані заглиблення у формі сегмента циліндричної поверхні, розташованої поперек потоку, радіус циліндричного дна заглиблення становить 0,8 довжини заглиблення, а бічні стінки заглиблення вертикальні, причому в місці 3 UA 100227 U 5 10 поперечного центрального вертикального перерізу заглиблення в бокових стінках виконані симетричні щодо цього перерізу по одній вертикальній напівциліндричній канавці, діаметр яких дорівнює 0,2 довжини заглиблення, а поверхні канавок в місці перетину передньої і задньої кромки канавок з боковою поверхнею запропонованого заглиблення заокруглені відповідно радіусом, що дорівнює 0,05 довжини заглиблення, і радіусом, що дорівнює 0,1 довжини заглиблення, таким чином, що передня кромка при внутрішньому закругленні стає гострою, а задня кромка при зовнішньому закругленні стає плавною; глибина заглиблення дорівнює діаметру вертикальної канавки, а ширина заглиблення дорівнює 0,4 її довжини, причому перетин передньої і задньої кромки дна заглиблення з теплообмінною поверхнею заокруглені радіусом, що дорівнює 0,25 довжини заглиблення. 4 UA 100227 U 5 UA 100227 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6