ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ Российский патент 1996 года по МПК F28F1/26 F28F3/04 

Изобретение относится к теплотехнике и может найти применение в радиаторах автомобилей, радиаторах термоэлектрических холодильников и других теплообменниках.

Важными требованиями, предъявляемыми к теплообменным поверхностям, являются обеспечение интенсивного теплообмена, высокой механической прочности и невысокой стоимости изготовления. Этот комплекс требований не удовлетворяется в полной мере существующими теплообменными поверхностями.

Известны теплообменные поверхности, состоящие из ряда параллельных труб и набора ортогональных им гофрированных [1-3] перфорированных [4,5] или гофрированно-перфорированных [6] пластин оребрения. Трубы пропущены через отверстия в пластинах и скреплены с ними сваркой [7] пайкой [8] или с помощью адгезива [9] Такие теплообменные поверхности характеризуются высокой интенсивностью теплообмена, но обладают сравнительно низкой механической прочностью в условиях вибраций и высокой трудоемкостью изготовления.

Более высокой механической прочностью и меньшей трудоемкостью изготовления отличаются теплообменные поверхности, получаемые из монолитной металлической заготовки [10-15] Подобные теплообменные поверхности состоят из трубы с плоскими параллельными стенками, полость которой разделена посредством перегородок на отдельные каналы, и оребрения с одной, либо с двух сторон трубы в виде лепестков, наклоненных к поверхности трубы. Лепестки создают подрезанием слоя материала на поверхности трубы и его последующим отгибанием от этой поверхности.

К недостаткам данных теплообменных поверхностей следует отнести относительно невысокую интенсивность теплообмена, в частности, в сравнении с теплообменными поверхностями, состоящими из отдельных труб и набора отдельных пластин оребрения.

Техническим решением, наиболее близким к заявляемому по сущности и совокупности существенных признаков, является изобретение [10] Теплообменная поверхность по изобретению [10] состоит из трубы с плоскими параллельными стенками и расположенных, по крайней мере, с одной стороны трубы параллельных рядов ребер в виде лепестков, наклоненных к поверхности трубы и параллельных друг другу в каждом ряду. Полость трубы разделена посредством перегородок на отдельные каналы трубопровода круглого или прямоугольного сечения. Лепестки оребрения во всех рядах наклонены к поверхности трубы в одну сторону и имеют симметричную форму. Достоинства этой теплообменной поверхности состоят в высокой механической прочности и сравнительно низкой трудоемкости изготовления. К ее недостаткам следует отнести сравнительно невысокую интенсивность теплообмена при обдуве воздухом как сбоку, так и сверху. Причинами этого являются наличие аэродинамических теней и невысокая турбулентность воздушного потока в оребрении. Отмеченный недостаток особенно ощутим при обдуве теплообменной поверхности сверху (например, при ее использовании в качестве радиатора термоэлектрического холодильника), поскольку в этом случае существенно больше аэродинамические тени и хуже турбулизирующие свойства оребрения.

Задачей изобретения является повышение интенсивности теплообмена при обдуве теплообменной поверхности как сбоку, так и сверху без снижения ее механической прочности и увеличения трудоемкости изготовления.

Эта задача решается тем, что на теплообменной поверхности, выполненной в виде трубы с плоскими противоположными стенками, полость которой разделена посредством перегородок на отдельные каналы, и снабженной наружным оребрением в виде параллельных рядов лепестков, плоскость которых расположена под углом к стенке трубы, причем лепестки, по крайней мере, двух смежных рядов наклонены в противоположные стороны, при этом каждый лепесток имеет несимметричную форму, при которой центральная ось, проходящая через середину его основания и вершину, расположена под углом относительно плоскости, перпендикулярной стенке трубы, причем в смежных рядах центральные оси лепестков наклонены в противоположные стороны относительно этой плоскости.

Технический результат изобретения состоит в повышении интенсивности теплообмена.

Интенсификация теплообмена в предлагаемом устройстве определяется несколькими факторами. При обдуве сбоку, благодаря наклону лепестков в смежных рядах в противоположные стороны, теплообменная поверхность образует на пути воздушного потока множественные скрещения ребер, турбулизирующие этот поток. Турбулизация дополнительно усиливается, кроме того, из-за наклона центральной оси лепестков в противоположные стороны относительно плоскости (N-N), перпендикулярной стенке трубы. Данный механизм турбулизации отсутствует в прототипе. Интенсивность теплообмена выше по сравнению с прототипом также в связи с тем, что лепестки смежных рядов не затеняют друг друга. При обдуве сверху благодаря наклону центральной оси лепестков в смежных рядах в противоположные стороны относительно плоскости, перпендикулярной стенке трубы, лепестки этих рядов отклоняют воздушный поток навстречу друг другу. Это, с одной стороны, позволяет снизить влияние аэродинамических теней, а с другой
обеспечивает турбулизацию воздушного потока.

На фиг. 1 представлен вид сверху предлагаемого устройства с односторонним оребрением; на фиг. 2 вид сбоку этого устройства.

Теплообменная поверхность на фиг. 1 содержит основание 1 в виде трубы из Al-сплава с плоскими противоположными стенками, полость которой разделена перегородками на отдельные каналы, лепестки 2, центральные оси которых наклонены в одну сторону относительно плоскости (N-N), перпендикулярной стенке трубы, и лепестки 2, имеющие противоположный наклон относительно указанной плоскости. Из фиг. 1 видно, что лепестки 2 и 2¹, в отличие от прототипа, несимметричны по форме. Устройство, изображенное на фиг. 1 и 2, имеет одностороннее оребрение. Оребрение может быть выполнено и с двух сторон основания 1.

Предлагаемую теплообменную поверхность получают из монолитной металлической трубы с плоскими противоположными стенками пошаговым подрезанием и отгибкой поверхностного слоя При этом поверхность трубы проходят режущим инструментом со скошенными режущими кромками сначала в одном направлении, создавая одновременно два ряда лепестков 2 с промежутком для одного ряда лепестков 2¹, а затем в обратном направлении, создавая одновременно два ряда лепестков 2¹. Благодаря скосу режущих кромок инструмента центральные оси лепестков оребрения расположены под углом α относительно поперечной оси симметрии трубы (фиг. 1). После отгибания лепестки 2 и 2¹ оказываются наклоненными в противоположные стороны относительно плоскости (N-N), перпендикулярной стенке трубы. Угол a не должен превышать 15^o.

Из описания предлагаемого устройства и процесса его изготовления очевидно, что предлагаемое изобретение не снижает механической прочности теплообмена и не увеличивает трудоемкости его получения.

Устройство работает следующим образом. Первая теплообменная среда (например, нагретая вода) проходит внутри каналов 3 трубы 1 и обменивается теплом со второй средой (например, воздухом). Поток воздуха, направленный на теплообменную поверхность по стрелке А поперечно рядам лепесткового оребрения, отнимает выделяемое ими тепло. Благодаря скрещению лепестков 2 и 2¹ на пути воздушного потока и наклону лепестков относительно плоскости (N-N), перпендикулярной стенке трубы 1, имеет место турбулизация потока в оребрении, что интенсифицирует процесс теплообмена.

Если поток воздуха направлен перпендикулярно верхней поверхности трубы 1 (например, в случае использования предлагаемого устройства в термоэлектрическом холодильнике, где нижняя поверхность трубы 1 не оребрена и находится в контакте с горячими спаями термоэлектрической батареи), интенсификация теплообмена обеспечивается благодаря тому, что лепестки 2 и 2¹ отклоняют воздушный поток навстречу друг другу.

Опытные образцы предлагаемой теплообменной поверхности изготовлены из Al-сплава. Высота лепестков оребрения в них равна 6 мм, толщина 0,1 мм, шаг лепестков 1,2 мм, угол наклона лепестков относительно поверхности трубы 45^oC, угол наклона центральной оси лепестков относительно плоскости (N-N), перпендикулярной стенке трубы, 1-5^o
Как показали сопоставительные температурные испытания, предлагаемое устройство обеспечивает 20% и 15% повышение интенсивности теплообмена по сравнению с прототипом соответственно при поперечном обдуве воздухом и при обдуве сверху.

Описание предлагаемого устройства в статике и динамике, а также сведения об опытных образцах подтверждают возможность промышленной реализации изобретения.

Использование: в теплотехнике, в частности в радиаторах автомобилей, радиаторах термоэлектрических холодильников и других теплообменниках. Сущность изобретения: в теплообменной поверхности, состоящей из трубы с плоскими противоположными стенками, полость которой разделена посредством перегородок на отдельные каналы и снабженной наружным оребрением в виде параллельных рядов лепестков, плоскость которых расположена под углом к стенке трубы, причем лепестки, по крайней мере, двух смежных рядов наклонены в противоположные стороны, а каждый лепесток имеет несимметричную форму, при которой центральная ось, проходящая через середину его основания и вершину, расположена под углом к основанию, причем в смежных рядах центральные оси лепестков наклонены в противоположные стороны относительно плоскости, перпендикулярной стенке трубы. 2 ил.

Теплообменная поверхность, выполненная в виде трубы с плоскими противоположными стенками, полость которой разделена посредством перегородок на отдельные каналы, и снабженная наружным оребрением в виде параллельных рядов лепестков, плоскость которых расположена под углом к стенке трубы, причем лепестки по крайней мере двух смежных рядов наклонены в противоположные стороны, отличающаяся тем, что каждый лепесток имеет несимметричную форму, при которой центральная ось, проходящая через середину его основания и вершину, расположена под углом к основанию, причем в смежных рядах центральные оси лепестков наклонены в противоположные стороны относительно плоскости, перпендикулярной стенке трубы.