Пристрій для підвищення тепломасопереносу

Реферат: Пристрій для підвищення тепломасопереносу складається з плоскої пластинки з встановленими на ній ямками та прилеглих до них заглибин, глибина яких збільшується в напрямку до ямки, які розміщені рядами в шаховому порядку, причому на теплообмінній поверхні встановлюються поглиблення у вигляді поздовжніх прямокутних наскрізних поглиблень, ширина яких на вході становить 0,6 і на виході 0,4, а глибина 0,1 довжини поглиблення, а форма вертикальних бічних стінок поглиблення в передній частині закруглена з радіусом 0,2 довжини поглиблення і утворює контур конфузора з профілем Вітошинського, передня частина дна виконана у вигляді половини контуру дифузора з таким же профілем Вітошинського, який плавно закруглений в районі передньої кромки дна з тим же радіусом, що і бічні стінки, на відстані від входу, що дорівнює 0,4 довжини поглиблення. UA 101419 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ТЕПЛОМАСОПЕРЕНОСУ UA 101419 U UA 101419 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. Крім цього корисна модель може бути використана для управління характеристиками динамічного примежового шару і потоку при застосуванні в різних галузях промисловості. Відома теплообмінна поверхня, що містить плоску основу, на якій вздовж потоку розміщені суцільні ряди вертикальних тонких пластин, на верхніх краях яких утворені за допомогою просікання пелюстки, причому пелюстки розвернуті відносно вертикальних тонких пластин на заданий кут [1]. Недоліком запропонованої поверхні є те, що на теплообмінній поверхні та на поверхні вертикальних тонких пластин формується динамічний та корельований з ними тепловий примежовий шар, який грає роль теплоізолятора між стіною і проточною рідиною. Крім цього в кутових місцях між теплообмінною поверхнею та боковими поверхнями вертикальних тонких пластин формуються кутові примежові шарі, в яких формуються пари поздовжніх вихорів. Для інтенсифікації теплообмінних процесів необхідно руйнувати ці зони примежових шарів. В [1] затверджується, що інтенсифікація теплообміну на оребреній поверхні здійснюється у результаті виникнення на початкових ділянках поверхні пелюсток областей з відривом повітряного потоку, а розворот пелюсток на заданий кут до напрямку потоку посилює ефект інтенсифікації теплообміну за рахунок підвищення турбулізації потоку повітря. Проте цей ефект стосується тільки незначної області потоку в зоні розміщення пелюстків і не стосуються найбільш великої області вказаних примежових шарів. Найбільш близьким по технічній суті до корисної моделі "Пристрій для підвищення тепломасопереносу", що заявляється, є прийнята за прототип "Теплообмінна поверхня" [2], яка складається з плоскої пластинки з встановленими на ній ямками та прилеглих до них заглибин, 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 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. Недоліком прототипу є те, що запропонована форма заглиблень дозволяє плавно входити потоку в ямку, в якій не формуються вихрові структури, але при виходу з ямок потік вихлюпується вгору в районі 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 відривний потік за попередньої ямкою, що істотно змінює структуру течії. Все це призводить до зниження теплообміну. В основу корисної моделі поставлено задачу розробки ефективного принципово нового пристрою для підвищення тепломасопереносу, в якому шляхом виконання нових форм поглиблень, встановлених на теплообмінній поверхні, забезпечується формування вертикальних вихорів в канавках, що встановлені в бічних стінках поглиблення, і при виході з канавок продовжують рухатися уздовж вертикальних пластинках, що встановлені в задній частині поглиблення, у вигляді торнадо вихорів і після з'єднання з поздовжніми вихорами, які формуються за гострою задньою кромкою вертикальних пластинок, поступово перетворюються в поздовжні вихори. Все це призводить до істотної зміни структури течії 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 встановлюються поглиблення у вигляді поздовжніх прямокутних наскрізних поглиблень, ширина яких на вході становить 0,6 і на виході 0,4, а глибина 0,1 довжини поглиблення, причому форма вертикальних бічних стінок поглиблення в передній частині закруглена з радіусом 0,2 довжини поглиблення і утворює контур конфузора з профілем Вітошинського, а передня частина дна виконана у вигляді половини контуру дифузора з таким же профілем Вітошинського, який плавно закруглений в районі передньої кромки дна з тим же радіусом, що і бічні стінки, на відстані від входу, що дорівнює 0,4 довжини поглиблення, у вертикальних бічних стінках поглиблення розташовані вертикальні напівциліндричні канавки, діаметр яких дорівнює або менше 0,1 довжини поглиблення, а їх вихідна кромка закруглена і зверху канавки закрити кришками урівень з теплообмінної поверхнею, причому величина 1 UA 101419 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 діаметра канавки залежить від числа Рейнольда в районі розміщення канавки, крім того в задній частині поглиблень з боків на теплообмінній поверхні встановлено вертикальні пластинки у вигляді стріловидного крила, передня кромка якої закруглена, а задня кромка гостра і скошена, довжина пластинок від вертикальної осі канавок становить 0,7 довжини поглиблення, а висота дорівнює або більше глибини канавки, причому пластинки можуть бути закріпленими також на бічних вертикальних стінках поглиблення урівень з ними, в той же час передня частина дна поглиблення, довжина якої становить 0,4 довжини поглиблення мінус радіус канавки, при наближенні до канавок переходить в протилежну кривизну з закругленням радіусом, що дорівнює 0,3 довжини поглиблення, і далі в середню плоску горизонтальну частину поглиблення, яка паралельна теплообмінної поверхні і розташована в районі розміщення канавок, причому ця ділянка плавно сполучається з вихідною плоскою ділянкою дна поглиблення, яка, в свою чергу, плавно сполучається в районі вихідної кромки з теплообмінної поверхнею, а радіус цих закруглень також дорівнює 0,3 довжини поглиблення. Суть корисної моделі пояснюється наступними фігурами: Фіг. 1 показує загальний вигляд запропонованої корисної моделі, вид зверху. Фіг. 2 представляє переріз А-А згідно з фіг. 1. Фіг. 3 показує фотографію при вигляді зверху, яка зафіксувала візуалізацію формування вихрових структур при обтіканні одного з варіантів запропонованого поглиблення і розвиток вихрових структур на теплообмінної поверхні за поглибленням. Фіг. 4 показує кадр відеофільму, на якому зафіксована візуалізація формування вихрових структур при обтіканні поперечної напівциліндричної канавки. На фіг. 1 наведено вид зверху теплообмінної поверхні 1, на якій розташоване поздовжнє наскрізне поглиблення 2 довжиною L і шириною поглиблення на вході Η = 0,6 L і на виході Н1=0,4 L так, що в передній частині поглиблення 2 форма вертикальних бічних стінок поглиблення на вході округлена з радіусом R=0,2 L і утворює контур конфузора з профілем Вітошинського. В вертикальних бічних стінках поглиблення на відстані L2=0,4 L, від входу зроблені вертикальні напівциліндричні канавки 5, які зверху закриті напівкруглими кришками 4, а в задній частині поглиблень 2 з боків встановлено вертикальні пластинки 3, довжина яких від вертикальної осі канавок L1=0,7 L. На фіг. 2 показаний переріз А - А згідно з фіг. 1. На теплообмінній поверхні 1 розміщене поглиблення 2 глибиною h=0,1 L, яке має кривизну дна на вході з радіусом закруглення r=0,2 L, що переходить в протилежну кривизну з закругленням радіусом r1=0,3 L, так, що вхідна ділянка дна являє собою половину дифузора, форма якого подібна контуру конфузора з профілем Вітошинського, сформованого бічними вертикальними стінками поглиблення 2 на вході (фіг. 1). Ділянка дна поглиблення в районі максимальної глибини має плоску горизонтальну поверхню, яка паралельна теплообмінній поверхні, причому ця ділянка плавно сполучається з вхідною ділянкою дна поглиблення і з вихідною плоскою ділянкою дна поглиблення з закругленням радіусом r1, яка, в свою чергу, сполучається в районі вихідної кромки з теплообмінної поверхнею з закругленням радіусом r1. В місці розташування горизонтальної плоскої ділянки дна у вертикальних бічних стінках поглиблення розташовані вертикальні напівциліндричні канавки 5 діаметром d  0,1 L, вихідна кромка яких закруглена, а зверху канавки закрити кришками 4 урівень з теплообмінною поверхнею 1, причому величина діаметра d канавки залежить від числа Рейнольда в районі розміщення канавки. В задній відносно напрямку потоку частині поглиблення 2 на теплообмінній поверхні 1 встановлено вертикальні пластинки 3 у вигляді стріловидного крила, передня кромка якої заокруглена, а задня кромка гостра і скошена, висота пластинки h1 ≥ h, причому пластинки можуть бути закріпленими також на бокових вертикальних стінках поглиблення урівень з бічними стінками поглиблення. На фіг. 3 показана фотографія при вигляді зверху візуалізації обтікання в водному потоці одного з варіантів запропонованого пристрою, що знаходиться на обтічній поверхні 1. Поглиблення 6 має геометричні параметри: L=30 мм, на вході і виході з поглиблення Η = 16 мм та в середині поглиблення ширина дорівнює 10 мм. В середині поглиблення розташовані дві вертикальні прямокутні канавки 7, які мають сторону та заглиблення, що дорівнюють 4 мм. На відстані 24 мм від передньої кромки поглиблення встановлена в обтічній поверхні 1 трубка 8 діаметром 0,8 мм, з якої в потік подавалася підфарбована цівка 9, яка рухалась вздовж бічної вертикальної стінки поглиблення та візуалізувала сформований в канавці вертикальний вихор 10 та сформований за канавкою горизонтальний вихор 11 і цівку 9. На фіг. 4 показаний кадр відеофільму візуалізації обтікання в повітряному потоці напівциліндричної поперечної канавки 12, яка знаходиться на обтічній поверхні 1 і має заокруглену задню кромку. Візуалізація виконана за допомогою цівки диму 13 і показує формування в канавці поперечного вихора 14, який обертається проти потоку, як показано 2 UA 101419 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 напівкруглою стрілкою. Періодично вихор вихлюпується з канавки і рухається вниз по потоку в напрямку цівки 13. Пристрій для підвищення теплопередачі, відповідно до корисної моделі, працює наступним чином. Візуалізація формування вихора в прямокутній канавці для одного з варіантів запропонованого поглиблення з відсутньою кришкою зверху канавки наведено на фіг. 3. В канавці видно форму поперечного перерізу вертикального вихора 10, який виноситься з канавки скрізь верхній отвір канавки 7 і зноситься вниз по потоку у вигляді поздовжнього вихору 11. На фіг. 4 показана форма вихора 14 при обтіканні поперечної напівциліндричної канавки 12 та напрямок обертання вихора в канавці проти потоку (темна напівкругла стрілка). Згідно з відеофільмом, потік рухається над канавкою і викликає обертання в канавці напівкруглого в поперечному перерізі вихору, який періодично викидається з задньої закругленої кромки канавки, причому з ростом швидкості зростає частота викидів вихора з канавки. З фіг. 4 видно, що вся площина поперечного перерізу напівциліндричної канавки повністю заповнена круглим вихором. В прямокутній канавці вихор заповнює канавку частково (див. фіг. 3 і [4]). На фіг. 1, 2 прямою стрілкою праворуч показано напрямок основного потоку. Вертикальні бічні стінки поглиблення на вході (фіг. 1) утворюють контур конфузора з профілем Вітошинського, а дно (фіг. 2) являє собою половину контуру дифузора, форма якого подібна контуру конфузора з профілем Вітошинського, сформованого бічними вертикальними стінками поглиблення 2. Відомо, що при звуженні каналу (конфузорність) швидкість зростає, а тиск падає [3], а при розширенні каналу (дифузорність) швидкість падає, а тиск зростає. Запропонована форма поглиблення на вході дозволяє за рахунок конфузорності бічних стінок поглиблення компенсувати негативний вплив дифузорності передньої частини дна поглиблення і отримати сумарний позитивний ефект у вигляді прискорення потоку в кінці вхідної частини поглиблення перед канавками 5, причому швидкість потоку на вході в канавку перевищує швидкість потоку, що втікає в поглиблення 2, за рахунок чого в канавках формуються вертикальні вихорі, напрямок руху яких показано на фіг. 1 у верхній канавці 5 штриховою напівкруглою стрілкою. В канавці 5 (фiг.2) постійно обертається вертикальний вихор, який постійно віддає потоку, що рухається уздовж бічних стінок поглиблення, тепло, яке отримане від обтічної поверхні канавки. Під час викиду вертикального вихору з канавки, викидається тепло, отримане від стінок канавки. У цей момент відбувається максимально ефективний тепломасоперенос. Після викиду із канавки вертикальний вихор за канавкою рухається вздовж бічної стінки поглиблення і встановленої вертикальної пластинки 3, як показано на фіг. 2 темними стрілками, а на фіг. 1 світлими стрілками, крім того напівкруглими стрілками показано напрямок обертання вертикальних вихорів. При цьому вихор поглинає тепло вздовж свого руху з поверхні бічної стінки, а температура вихора підвищується, він розширюється і зростає його швидкість обертання. Крім цього по мірі наближення до задньої кромки поглиблення 2 швидкість потоку зростає за рахунок конфузорної форми на виході поглиблення. Збільшується також площа поперечного перерізу вертикального вихора, тому вихор інтенсивно відбирає тепло також з частини площі дна поглиблення, з якою контактує дно обертового вихору. Все це збільшує ефективність тепломасопереносу. За рахунок тертя дна вертикального вихору об дно поглиблення при його русі через поглиблення рух вихора знизу гальмується в порівнянні з верхньою частиною вихору. Тому на виході з поглиблення вертикальний вихор нахилений, відповідно до нахилу косої задньої кромки пластинки 3 (фiг. 2), причому кут нахилу вихора залежить від швидкості потоку в поглибленні. Вертикальна пластинка 3 (фiг. 2) має форму стріловидного крила, тому на задній кромці гострого кута пластинки 3 в потік стікатиме кінцевий поздовжній вихор, що визначає індуктивний опір пластинки. Вертикальний вихор, який був сформований в канавці 5 і рухався вздовж пластинки 3, буде легко відриватись від неї за рахунок гострої задньої кромки пластинки. Все це полегшує взаємодію нахиленого вертикального вихора з поздовжнім вихором, що формується на верхній частині задньої кромки пластинки 3. Таким чином, за рахунок такої взаємодії за поглибленням на висоті, що дорівнює висоті пластинки 3, формується стійкий поздовжній вихор, який зменшує гідродинамічний опір. Відомо [3], що при обтіканні двох стінок, розташованих перпендикулярно один одному, в кутовий області між ними формується кутовий примежовий шар, в якому виникає пара поздовжніх вихорів. Враховуючи, що довжина бічних стінок поглиблення мала, вплив кутового примежового шару буде незначним. Поглиблення встановлюються на теплообмінній поверхні в трансверсальному напрямку паралельними рядами так, щоб знаходились один від одним вздовж їх трансверсальної осі симетрії, а в поздовжньому напрямку ряди поглиблень встановлюються в шаховому порядку. Відстань між поглибленнями в трансверсальному напрямку дорівнює розміру Н, а в поздовжньому напрямку - L. 3 UA 101419 U 5 10 15 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 вертикальних вихорів, що рухаються вздовж більшої частини довжини поглиблення, і стійких найбільш продуктивних поздовжніх вихорів, що одночасно зменшують гідродинамічний опір. Важлива перевага запропонованої корисної моделі полягає в його здатності підвищити тепломасоперенос та зменшити втрати тиску. Джерела інформації:: 1. Деклараційний патент на винахід України UA № 57461, МПК F28F 3/00. Теплообмінна поверхня. Автори - Руденко О.І., Бурлей В.Д., Письменний Є.М, Мариненко В.І., Терех О.М, Рогачов В.А. Опубліковано 16.06.2003, Бюл. № 6. 2. Патент України № 30701 UA. МПК F28F 1/10, F28F 3/02. Теплообмінна поверхня. Коваленко Г.В. Опубліковано: 15.12.2000, Бюл. № 7. 3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - Μ.: Наука. - 1974. - 711 с. 4. Μ. Ван-Дайк. (1986) Альбом течений жидкости и газа. - М.: Мир. - 181 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 Пристрій для підвищення тепломасопереносу, що складається з плоскої пластинки з встановленими на ній ямками та прилеглих до них заглибин, глибина яких збільшується в напрямку до ямки, які розміщені рядами в шаховому порядку, який відрізняється тим, що на теплообмінній поверхні встановлюються поглиблення у вигляді поздовжніх прямокутних наскрізних поглиблень, ширина яких на вході становить 0,6 і на виході 0,4, а глибина 0,1 довжини поглиблення, причому форма вертикальних бічних стінок поглиблення в передній частині закруглена з радіусом 0,2 довжини поглиблення і утворює контур конфузора з профілем Вітошинського, а передня частина дна виконана у вигляді половини контуру дифузора з таким же профілем Вітошинського, який плавно закруглений в районі передньої кромки дна з тим же радіусом, що і бічні стінки, на відстані від входу, що дорівнює 0,4 довжини поглиблення, у вертикальних бічних стінках поглиблення розташовані вертикальні напівциліндричні канавки, діаметр яких дорівнює або менше 0,1 довжини поглиблення, а їх вихідна кромка закруглена і зверху канавки закрити кришками урівень з теплообмінної поверхнею, причому величина діаметру канавки залежить від числа Рейнольда в районі розміщення канавки, крім того в задній частині поглиблень з боків на теплообмінній поверхні встановлено вертикальні пластинки у вигляді стріловидного крила, передня кромка якої закруглена, а задня кромка гостра і скошена, довжина пластинок від вертикальної осі канавок становить 0,7 довжини поглиблення, а висота дорівнює або більше глибини канавки, причому пластинки можуть бути закріпленими також на бічних вертикальних стінках поглиблення урівень з ними, в той же час передня частина дна поглиблення, довжина якої становить 0,4 довжини поглиблення мінус радіус канавки, при наближенні до канавок переходить в протилежну кривизну з закругленням радіусом, що дорівнює 0,3 довжини поглиблення, і далі в середню плоску горизонтальну частину поглиблення, яка паралельна теплообмінної поверхні і розташована в районі розміщення канавок, причому ця ділянка плавно сполучається з вихідною плоскою ділянкою дна поглиблення, яка, в свою чергу, плавно сполучається в районі вихідний кромки з теплообмінної поверхнею, а радіус цих закруглень також дорівнює 0,3 довжини поглиблення. 4 UA 101419 U 5 UA 101419 U 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 6