СПОСОБ ТЕПЛООБМЕНА Российский патент 1999 года по МПК F28D19/00 

Изобретение в первую очередь предназначено для создания экономичных, высокоинтенсивных компактных теплообменных устройств регенеративного возврата тепла отработанных газов транспортных газотурбинных двигателей, двигателей внешнего сгорания типов "Стирлинг" и "Эриксон" для создания высокоэкономичных компрессоров с процессом сжатия, близким к изотермическому, и прочих теплоэнергетических устройств.

Известный в теплотехнике способ или процесс теплообмена или теплопереноса состоит из самопроизвольного перемещения теплоты между средами и поверхностями при разных температурах и относительном движении между ними (cм., например, книгу В.А. Григорьева и В.М. Зорина. Тепло и массообмен, теплотехнический эксперимент. Справочник. - М.: Энергоиздат, 1982, с. 115 и 151) [1]. Этот процесс теплопереноса в реальных условиях состоит из трех составляющих, которые находятся во взаимном количественном соотношении между собой и реже - по отдельности. Это и излучение теплоты между средами и поверхностями с интенсивностью, пропорциональной 4-й степени температуры. Это и теплопроводность, при которой перенос теплоты в твердых телах, в средах на участках с ограниченной подвижностью, например, вблизи поверхностей, между средами и поверхностями на границах раздела между ними происходит путем взаимодействия между собой атомов, молекул, атомов с молекулами и прочими элементами сред. Как известно, интенсивность переноса теплоты через стенку или слой среды пропорциональна разности температур по толщине стенки или слоя среды и обратно пропорциональна этой толщине и пропорциональна коэффициенту теплопроводности. И, как будет показано ниже, именно очень малая теплопроводность сред даже на весьма малом по толщине слое среды у поверхностей является причиной низкой интенсивности переноса теплоты между рядами и поверхностями даже при больших относительных скоростях между ними. И третьей составляющей в переносе теплоты между средами и поверхностями является конвекция, при которой перенос теплоты осуществляется вследствие относительного движения между элементами сред и поверхностями. Перенос теплоты между средами и поверхностями конвекцией с теплопроводностью называется конвективным теплообменом [cм., например, 1, с. 115]. Известно, что относительное движение между средами и поверхностями при этом способе теплообмена создают либо перемещением поверхностей относительно неподвижных, либо подвижных сред, либо перемещением сред относительно неподвижных либо подвижных поверхностей (см., например, книгу М.Г. Гинцбург. Устройство и обслуживание мотоциклов. - М.: Машгиз, 1963, с. 78-79) [2]. Т.е., например, охлаждаемые поверхности двигателей мотоциклов перемещают вместе с мотоциклом относительно воздуха, который может быть и неподвижен в безветренную погоду, либо может иметь большую скорость при сильном встречном ветре, а принудительный обдув воздухом закрытых кожухами охлаждаемых поверхностей двигателей мотороллеров с помощью вентиляторов демонстрирует пример принудительного движения среды относительно неподвижной поверхности. Именно режим относительного движения между средами и поверхностями и определяет интенсивность теплообмена между ними. И если скорость среды невелика, то имеет место ламинарное течение, когда поток среды можно представить состоящим из очень тонких слоев, которые скользят друг относительно друга. В этом случае помимо, возможно, имеющего место теплообмена излучением, теплота передается теплопроводностью среды (cм., например, книгу Х. Хаузен. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе.- М.: Энергоиздат, 1981, с. 18) [3]. Но теплопроводность газообразных сред на несколько порядков меньше, чем у металлов. Например, согласно [1, с. 120] коэффициент теплопроводности меди при температуре 273 К равен 393 Вт/м•К, а согласно с. 159 теплопроводность воздуха при той же температуре составляет всего 0,044 Вт/м•K. Поэтому даже при относительно небольшой толщине металлической теплопроводящей стенки интенсивность теплообмена между поверхностью стенки и омывающей ее средой будет также на несколько порядков меньше, чем могла бы передать стенка. Это вынуждает конструкторов увеличивать площади поверхностей теплообмена сo средами и соответственно габариты и вес теплообменных устройств либо увеличивать скорости движения сред выше критического значения, при котором движение сред относительно поверхностей теплообмена становится турбулентным, вызывающим интенсивное перемешивание слоев сред, и создающее увеличение интенсивности переноса теплоты по толщине потока среды. Однако при этом не только уменьшается эффективное время теплообмена сред со стенкой, но и резко увеличивается величина гидравлических потерь средами, так как известно, что величина гидравлических потерь средами пропорциональна квадрату скорости среды [cм., например, 1, с. 26 и 32]. Отчего экономическая целесообразность такого увеличения интенсивности теплообмена увеличением скоростей сред существенно ограничена рамками между ростом интенсивности теплообмена и ростом гидравлических потерь. Более того, если даже не считаться с интенсивным ростом гидравлических потерь средами, при увеличении скоростей движения сред, тем не менее, рост интенсивности теплообмена ограничен тем, что, как сказано уже выше и в [1, с. 162 - 163] "... В действительности, при любой степени турбулентности потока в тонком пристенном слое сохраняются достаточно условные черты ламинарного движения, а непосредственно на стенке скорость среды все равно равна нулю. (Условие прилипания). В этой зоне, называемой вязким подслоем, преобладает механизм молекулярной вязкости, а турбулентные пульсации скорости резко затухают по мере приближения к стенке ... аналогично вязкому подслою в пристенной зоне выделяется и тепловой подслой, в пределах которого преобладает, как уже отмечено выше, очень малая молекулярная теплопроводность ...", в особенности нежидких сред, которая и определяет относительно низкую интенсивность переноса теплоты между газообразными средами и поверхностями, несмотря на относительно небольшую толщину теплового подслоя в сравнении с интенсивностью переноса теплоты теплопроводностью через стенку от поверхности либо к поверхности.

В теплоэнергетических устройствах известно применение и способа теплообмена, который включает в себя перенос теплоты между движущейся средой и вращающейся поверхностью стенки (cм. , например, книгу Я.И. Шнеэ. Газовые турбины. - М.: Машгиз, 1960, с. 198-204) [4]. "... Однако, например, охлаждение рабочих лопаток турбин путем отвода тепла теплопроводностью через диск ограничено в своем эффекте прежде всего тем, что для длинных лопаток верхняя их зона почти не подвергается эффекту охлаждения ..."). Отчего в газотурбинных двигателя получил распространение другой способ охлаждения лопаток турбины, состоящий во внутреннем охлаждении полых лопаток, проходящим через них воздухом (cм. , например, книгу Г.С. Жирицкий и В.А. Стрункин. Конструкция и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин. - М.: Машиностроение, 1968, с. 38 - 40) [5]. Но и здесь интенсивность отвода тепла от внутренней поверхности лопаток к охлаждающему их воздуху также ограничена низкой интенсивностью теплообмена сред (газообразных в особенности) с поверхностями низкой теплопроводностью все того же не исчезаемого теплового пристенного слоя среды воздуха.

Известен и способ переноса теплоты, в частности, охлаждения лопаток турбины, содержащий в себе интенсивную циркуляцию промежуточного жидкого теплоносителя между внутренними поверхностями каналов лопаток и внутренними поверхностями их радиаторов, расположенных у основания лопаток, вращающихся совместно с ротором турбины [см. например, 5, с. 40-42]. "...Тепло от лопаток при термосифонном охлаждении в поле центробежных сил может отводиться обдувом радиаторов, расположенных у основания лопаток...". Термосифонная система охлаждения в поле центробежных сил позволяет работать с весьма высокими температурами, однако при этом возникает ряд технологических трудностей и затруднения с отводом большого количества тепла от радиаторов. Т.е. согласно [5] и при наличии интенсивного промежуточного переноса теплоты от лопаток турбины к их радиаторам и достаточно развитых поверхностей охлаждения радиаторов и вращающихся совместно с ротором турбины с очень большими угловыми скоростями, проблема интенсивного рассеивания тепла от радиаторов лопаток турбин в охлаждающей их воздух все-таки остается нерешенной.

Известен и способ регенеративного теплообмена между средами, включающий в себя поочередное омывание теплообменивающимися средами одних и тех же развитых внутренних поверхностей, выполненных в виде вращающихся роторов так называемых регенеративных воздухопоглотителей (РВП) [cм., например, 3, с. 208 - 211]. При этом удается исключить промежуточный перенос теплоты между поверхностями, омываемыми теплообменивающимися средами. Однако теплопередача через относительно тонкие стенки толщиной 0,6 - 1,2 мм не является определяющей в сложном теплообмене, потому что, как показано выше, теплопроводность материала стенок на несколько порядков выше, чем теплопроводность газообразных сред. Несущественной оказывается и потеря теплового напора на тонкой стенке при высокой ее теплопроводности. Поэтому с РВП с вращающейся теплообменной поверхностью удается передавaть большие тепловые потоки между средами не столько за счет турбулизации потоков сред набором теплообменных поверхностей из сложно выполненных пластин и исключения переноса теплоты теплопроводностью через металлические стенки с высокой теплопроводностью, а главным образом за счет больших суммарных площадей теплообмена ценой больших габаритов и большого веса, так как и здесь сохраняется тепловой подслой сред у поверхностей с малой теплопроводностью. Например, на каждом энергоблоке Новосибирской ТЭЦ-5, установленной мощностью 180/120 МВт установлено по 2 РВП - 88, имеющих массу пакетов нагревательной набивки по 180 т каждый, а роторов в сборе с набивкой по 260 т каждый (см., например, книгу В.Н. Шастина. Справочник по ремонту котлов и вспомогательного оборудования. -М.: Энергоиздат, 1981, с. 54) [6].

Известен и способ переноса теплоты, содержащий в себе самопроизвольный перенос теплоты от горячих рабочих газов к внутренним стенкам цилиндров двигателей внутреннего сгорания радиацией и конвективным теплообменом, а через металлические стенки цилиндров теплопроводностью к внешним стенкам цилиндров, а от внешних стенок цилиндров теплоту переносят конвективным теплообменом к жидкому промежуточному теплоносителю, и принудительной циркуляцией жидкого теплоносителя теплоту переносят к внутренним стенкам трубок радиаторов, а от промежуточного теплоносителя теплоту переносят конвективным теплообменом к внутренним стенкам трубок радиаторов, и от внутренних поверхностей стенок трубок теплоту переносят теплопроводностью к внешним поверхностям трубок, и от внешней поверхности стенок трубок радиаторов теплоту переносят конвективным теплообменом и радиацией к охлаждающему их воздуху (cм., например, книгу Л.И. Белкин и др. Автомобиль Москвич 412. - М.: Машиностроение, 1971, с. 61 - 70) [7]. Применение промежуточного переноса теплоты принудительной циркуляцией жидких теплоносителей позволяет благодаря более высокой теплопроводности жидких теплоносителей, в том числе и в тепловых слоях у поверхностей, достаточно интенсивно переносить теплоту от тепловоспринимающих стенок к теплорассеивающим стенкам, расположенным в удобном для рассеивания теплоты месте, однако это не решает проблемы рассеивания теплоты в газообразных средах из-за низкой теплопроводности сред, так как здесь сохраняется не исчезаемый тепловой подслой воздуха с малой молекулярной теплопроводностью у поверхностей радиаторов. А рассеивание большого количества тепла и здесь достигается за счет большой рассеивающей поверхности тяжелых радиаторов.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе теплообмена, включающем в себя самопроизвольное перемещение теплоты между средой и находящейся в контакте с ней поверхностью тела при относительном движении между ними и разных температурах, с целью увеличения интенсивности теплообмена как между отдельными средами и находящимися в контакте с ними поверхностями тел, так и между теплообменивающимися средами через теплообмен с поверхностями тел, вращают поверхности тел, а в том числе и вращением поверхностей тел создают интенсивные относительные движения, и создают их тем интенсивнее, чем в том числе и интенсивнее вращают поверхности тел, и создают их либо в том числе и у поверхностей тел, либо у поверхностей тел, элементарные поверхности которых и их околоповерхностные конструкционные элементы, если они имеются, предварительно располагаются друг относительно друга и осей вращения в положениях, не препятствующих перемещениям сред, в том числе и под действием создаваемым на них вращениями поверхностей тел, в том числе и в направлении, содержащем в себе элементы перемещения от осей вращения, в том числе и у поверхностей тел, а также создают либо самопроизвольные, либо принудительные перемещения теплоты, подлежащей перемещению от тепловоспринимающих от сред поверхностей тел и теплорассеивающим в средах поверхностям тел либо теплоты, подлежащей отводу, от тепловоспринимающих от сред поверхностей тел, либо теплоты, подлежащей рассеиванию, к теплорассеивающим в средах поверхностям тел, в том числе при необходимости и с использованием либо свободной, либо вынужденной циркуляции жидких теплоносителей в рабочем состоянии, либо теплоту, воспринятую поверхностями тел от теплоотдающих сред, перемещают последовательным перемещением самих поверхностей тел вместе с воспринятой ими теплотой в зону теплообмена с тепловоспринимающими средами, в том числе и вращением поверхностей тел между теплообменивающимися средами, в том числе при необходимости и между несколькими средами, либо теплоту, подлежащую рассеиванию поверхностями вращающихся тел, в том числе при необходимости и интенсивному, специально или вынужденно создают и при вращении тел.

Более подробно суть изобретения состоит в следующем. В известном способе теплообмена при относительном движении между поверхностью тела и средой вне зависимости от того, движется ли среда относительно поверхности тела или поверхность тела относительно среды, или и то и другое одновременно, в любом случае среда как бы "прилипает" к поверхности тела, образуя у ее поверхности так называемый тепловой подслой с молекулярной теплопроводностью, которая на несколько порядков меньше, чем у металлов (см. уже отмеченное выше). Поэтому, несмотря на то что тепловой подслой у поверхности тела достаточно тонкий, все равно он существенно ограничивает интенсивность самопроизвольного перемещения теплоты через него между поверхностью тела и потоком среды в сторону падения температуры. Поэтому, упрощенно выражаясь, в существующем способе теплообмена тепловой подслой среды как бы пытаются "сдуть" потоком среды с поверхности тела, причем как увеличением относительной скорости, так и введением по пути движения среды специально создаваемых сопротивлений - турбулизаторов. Однако экономическая эффективность этого способа теплообмена невелика, так как при любой относительной скорости и независимо от наличия турбулизаторов или их отсутствия скорость среды на поверхности тела все равно равна нулю и все равно сохраняется тепловой подслой у поверхности тела (cм. уже ранее отмеченное), а увеличением скорости среды и введением дополнительных сопротивлений - турбулизаторов удается лишь уменьшить толщину теплового подслоя среды, но ценою интенсивного роста гидравлических потерь, так как они растут пропорционально квадрату скорости среды и пропорционально сумме коэффициентов потерь, в том числе и от вводимых турбулизаторов. Опережающий рост гидравлических потерь, как и сама возможность создания больших скоростей в теплообменной системе, не позволяет уменьшить толщину теплового подслоя у поверхностей тел до значений, при которых тепловой подслой среды уже не мог бы существенно влиять на интенсивность теплообмена для достижения максимальной интенсивности теплообмена.

И именно с целью создания высокоинтенсивных и компактных теплообменных систем в предлагаемом способе теплообмена либо в дополнение, либо вместо ограниченного по эффективности скоростного "сдувания" поверхностей тел теплового подслоя потоками сред вращают поверхности тел. А вращающимися поверхностями тел либо с относительным окружным скольжением, либо без него, либо в их сочетаниях вращают и омывающие их среды. И предпочтительно вращают лишь находящиеся у поверхностей тел. Т.е. вращать и вращать достаточно интенсивно предпочтительно только тонкий тепловой подслой сред, "приторможенный" у поверхностей тел, а не весь поток среды или сред, движущихся относительно поверхностей тел, так как потоки сред и без того достаточно хорошо турбулизируются своим относительным движением у поверхностей тел, обеспечив лишь значение величины числа Рейнольдса выше его критического значения. Это предпочтительно соблюдать, чтобы одновременно достигнуть и минимальных затрат и механической работы на вращение поверхностей тел. А вращением сред создают на их молекулах центробежные силы, которые, как известно, всегда направлены на оси вращения. Причем вращение поверхностей тел должно быть настолько интенсивным, чтобы создаваемые центробежные силы на молекулах теплового подслоя сред превышали силы, "удерживающие" их от интенсивного перемещения либо относительно поверхности тела, либо из теплового подслоя сред, а при необходимости, оговоренной ниже, и в сторону от поверхностей тел. И главным образом перемещающим относительно поверхностей тел действием центробежных сил на молекулы сред и у поверхностей тел, и в первую очередь в тепловом подслое сред, либо теми же действиями центробежных сил и на те же молекулы сред совместно с вращением молекул сред поверхностями тел, в том числе с окружным скольжением за счет тангенциальных сил вязкости сред, создают интенсивные относительные движения и у поверхностей тел, обеспечивая интенсивный перенос теплоты между поверхностями тел и омывающими их средами и у поверхностей тел. Вращение молекул сред поверхностями тел без окружного относительного скольжения создают выполнением на поверхностях тел специально или вынужденно каких-либо радиальных элементов, например, в виде радиальных ребер или радиальных лопаток и т.п., но предпочтительно высотой не более толщины теплового подслоя сред для минимального расхода механической работы на это, хотя при необходимости они могут быть и значительно большими. Если же поверхности тел выполняют без радиальных элементов, например, гладкой и одновременно в виде поверхности вращения, например, для создания уплотнения полости со средой на вращающейся поверхности тела, то вращающейся поверхностью тела, в том числе и за счет тангенциальных сил вязкости среды в тепловом подслое раскручивают молекулы среды до тех пор, пока они находятся в "прилипшем" состоянии к поверхностям тел. Однако, чтобы вращением гладких поверхностей вращения вращать только тонкий тепловой подслой сред у поверхностей тел предпочтительно располагают направляющие устройства от преждевременного раскручивания тангенциальными силами большей массы среды, чем в тепловом подслое среды, для минимального расхода механической работы на интенсивное вращение поверхностей тел в средах.

Однако увеличение интенсивности процесса теплообмена воздействием центробежных сил на среду, в том числе и в тепловом подслое, возможно лишь при условии, что элементарные поверхности вращающихся поверхностей тел и их околоповерхностные конструкционные элементы, если они имеются, например корпус теплообменной системы и прочие элементы, предварительно располагают друг относительно друга и осей вращения в положениях, не препятствующих интенсивному движению сред, в том числе и под действием центробежных сил, создаваемых вращением поверхностей тел, в том числе и у поверхностей тел. Несоблюдение этого условия не позволит молекулам сред интенсивно перемещаться под действием центробежных сил, в том числе и в тепловом подслое сред в направлении действия центробежных сил, в том числе и при очень интенсивном вращении поверхностей тел, и, следовательно, интенсивного относительного движения сред у поверхностей тел, а тем более на поверхностях тел не будет возникать, а следовательно, и интенсивного теплообмена в целом. Как, например, это имеет место в известных регенеративных вращающихся подогревателях воздуха (РВП), где воздушные и газовые среды двигаются вдоль внутренних каналов параллельно оси вращения, а потому там среды не могут двигаться не только интенсивно, но и вообще двигаться поперек каналов под действием центробежных сил [cм. ранее отмеченное в 3, с. 208-211]. И в РВП большой теплообмен достигается главным образом за счет очень большой и очень тяжелой площади теплообмена, так как турбулизаторами тепловой подслой сред у поверхностей тел невозможно удалить по причинам, уже отмеченным ранее. А потому тот же неуспех имеет место и при очень больших скоростях вращения поверхностей тел. Например, и при очень интенсивном вращении радиаторов охлаждения лопаток газовых турбин, расположенных у основания рабочих лопаток и соответственно вращающихся с большими угловыми скоростями турбин. Так как и здесь каналы для движения охлаждающегося воздуха радиаторов выполнены в виде внутренних каналов параллельно оси вращения турбин. Создаваемые на вращающихся средах во внутренних каналах даже очень большие центробежные силы не могут перемещать охлаждаемый воздух в радиальном направлении через стенки каналов (cм., например, сборник статей МВТУ под редакцией В.Л. Ивановa и В.Л. Локай. Высокотемпературные охлаждаемые газовые турбины. - М.: Машиностроение, 1971, с. 183, рис. B [8]; или см. в 5, с. 40 - 42, рис. 48, где также представлено аналогичное и отмечено: "однако возникают затруднения с отводом большого количества тепла от радиаторов").

И, наконец, высокоинтенсивный теплообмен как между отдельными средами и находящимися в контакте с ними поверхностями тел либо между теплообменивающимися средами через теплообмен с поверхностями возможен, если адекватно интенсивности теплообмена сред с поверхностями тел создают перемещение теплоты, воспринятой тепловоспринимающими поверхностями от теплопередающих сред к теплорассеивающим поверхностям тел в теплорассеивающих средах, либо создают интенсивный отвод теплоты от тепловоспринимающих от сред поверхностей тел куда-либо, например, в тепловой аккумулятор, либо создают интенсивный подвод теплоты к теплорассеивающим поверхностям тел в тепловоспринимающих средах, в том числе при необходимости и с использованием либо свободной, либо вынужденной циркуляции жидких теплоносителей и предпочтительно жидкометаллических теплоносителей, имеющих теплопроводность на уровне теплопроводности металлов. Если же к теплорассеивающей поверхности не подводить адекватное количество теплоты, то поверхности просто нечего будет интенсивно рассеивать в среду, а если от тепловоспринимающей от среды поверхности не отводить адекватное количество теплоты, то ее температура увеличится, уменьшая тепловой напор от среды, а следовательно, уменьшится и интенсивность теплообмена даже при наличии высокоинтенсивного относительного движения, а если теплоту не отводить или почти не отводить, то температуры поверхности и среды станут одинаковыми, и теплообмен, точнее, перенос теплоты к поверхности прекратится. Более того, для достижения максимальной регенерации тепла от отработавших газов к подогреваемому воздуху или иной среде предпочтительно достигать высокой интенсивности теплообмена, при минимальных тепловых напорах, и количестве промежуточных переносов, теплоты, чтобы достигнуть минимальной разности между температурой отработанных газов, покидающих регенератор, и температурой подогреваемой среды. Для достижения этой цели теплоту, воспринятую поверхностью тела от теплоотдающей среды, перемещают вместе с этой поверхностью, в том числе тем же вращением этой поверхности в зону с тепловоспринимающей средой.

Сущность изобретения состоит в том, что с целью создания вращением поверхностей тел интенсивных относительных движений и в поперечном направлении к движению потоков сред, в том числе и в направлении от поверхностей тел, в том числе и у поверхностей тел, и увеличения этим интенсивности поперечного перемещения теплоты, элементарные поверхности вращающихся поверхностей тел предварительно располагают по отношению к осям вращения с внешней стороны тел. Дело в том, что несмотря на достаточно высокую фактическую интенсивность теплообмена между средой и вращающейся поверхностью плоского диска благодаря достаточно простой конструктивной возможности создания очень больших относительных скоростей между поверхностью тела и потоком среды у поверхности тела, а также относительно небольшим затратам механической работы на высокую интенсивность теплообмена в отличие от весьма существенных гидравлических потерь средами при их больших скоростях движения в известном способе теплообмена, тем не менее экспериментально установлено, что, если около интенсивно вращающейся поверхности плоского диска по оси его вращения установить источник черного плотного дыма, то даже зрительно достаточно хорошо видно, что дым, даже имеющий нулевую начальную скорость движения, интенсивно подсасывается к поверхности диска и не менее интенсивно растекается по поверхности диска вширь и все ближе движется к поверхности диска без какого-либо даже намека на обратное движение от поверхности диска по мере его интенсивного движения к периферии диска тонким и почти невидимым и "неразмытым" слоем до самого стекания с поверхности диска, освобождая при этом место на поверхности диска для теплообмена с ней следом движущейся среды. И именно для интенсивного "размывания" движущегося потока среды у поверхности вращающихся тел, а если точнее, то для создания интенсивной турбулизации потоков сред у поверхностей вращающихся тел элементарные поверхности вращающихся поверхностей тел располагают в положениях, не перпендикулярных к оси вращения. Т.е. образующую поверхности тела вращения выполняют предпочтительно содержащей в себе либо наклоненные, либо параллельные оси вращения элементы, либо их сочетание, а создаваемые ими поверхности могут быть, например, в виде внешней поверхности конуса, цилиндра, сферы, эллипсоида либо их сочетания и т.п. В результате вращения таких поверхностей тел создаваемые центробежные силы на молекулах сред, омывающих эти поверхности тел, достаточно интенсивно воздействуют на молекулы сред в направлении от поверхностей тел. В результате создают достаточно интенсивную турбулизацию потоков сред, в том числе и у поверхностей вращающихся тел, причем как за счет интенсивного "отбрасывания" центробежными силами молекул сред от вращающихся поверхностей тел, так и за счет "обратного" движения молекул сред на "пустые" места у поверхностей тел, создавая интенсивный перенос теплоты в поперечном направлении в потоках сред, в том числе и у поверхностей вращающихся тел. Это достаточно хорошо видно при интенсивном вращении овальной выпуклой поверхности тела, например, диаметром 150 мм и скорости вращения 30000 об/мин с расположенным у оси вращения поверхности тела источником черного плотного дыма. Около поверхности тела в зоне периферийной овальности формируется хорошо видимый высокотурбулизированный равномерно "размытый" слой движущейся дымовой среды толщиной 6 - 8 мм у поверхности в отличие от "неразмытого" тонкого и почти не видимого слоя дымовой среды у плоского вращающегося диска с той же скоростью и таком же наружном диаметра диска.

Сущность изобретения состоит и в том, что с целью увеличения вращением поверхностей тел интенсивности поперечных составляющих относительных движений, в том числе и у поверхностей тел и соответственного увеличения интенсивности поперечного перемещения теплоты, предварительно изменяют положения элементарных поверхностей внешних вращающихся поверхностей тел относительно осей вращения в направлении уменьшения угла между нормалями к этим элементарным поверхностям вращающихся поверхностей тел и нормалями к осям вращения. Т.е., чтобы создать максимальное и турбулизирующее воздействие на среду, в том числе и находящуюся у поверхностей вращающихся тел, от центробежных сил, создаваемых на молекулах сред их вращением поверхностями тел, элементарные поверхности тел внешних вращающихся поверхностей тел располагают либо параллельно оси вращения, либо в положениях, близких к параллельному положению по отношению к оси вращения, или, что то же самое, выполняют поверхности предпочтительно в виде наружной поверхности цилиндра или эллипсоида с осью вращения, проходящей через большую ось эллипсоида. В результате центробежные силы, создаваемые на молекулах сред, уже воздействуют на молекулы сред в полную свою величину в направлении от поверхностей вращающихся тел, или почти в полную величину, безусловно интенсивнее "отбрасывают" от поверхностей тел молекулы сред после произведенного теплообмена между ними взаимными соударениями молекул сред с атомами поверхностей тел для не менее интенсивного движения молекул сред на "пустые" места у поверхностей тел для последующего их теплообмена, либо благодаря достигаемой этим высокой турбулизации сред у поверхностей тел создают высокую интенсивность теплообмена сред с вращающимися поверхностями тел и при меньших скоростях вращения поверхностей тел, а следовательно, и при меньших затратах механической работы на интенсивный теплообмен.

Сущность изобретения состоит и в том, что с целью снижения гидравлических потерь средами в результате теплообмена собственные скорости движения сред уменьшают предпочтительно до минимальных, в том числе вплоть до начальных скоростей сред, равных нулю, в том числе при теплообмене вращающихся поверхностей тел со средами, находящимися в спокойном состоянии, а необходимую интенсивность теплообмена создают, в том числе соответствующим вращением поверхностей тел. Т.е., так как гидравлические потери движущимися средами пропорциональны квадрату их скоростей движения, то, естественно, чем с меньшими собственными скоростями среды будут двигаться через теплообменную систему, тем будут меньшими их гидравлические потери в результате произведенного теплообмена, тем более предпочтительным может быть более глубокий теплообмен, в том числе и, например, регенеративный теплообмен между отработанными газами и рабочим воздухом газотурбинных двигателей и т.п.

Сущность изобретения состоит в том, что теплоту, подлежащую рассеиванию в средах поверхностями вращающихся тел, в том числе и интенсивному, либо вынужденно, либо при вращении тел, в том числе в энергетических полях, в том числе в магнитных полях, либо в высокочастотных полях, либо и т.п., либо при пропускании электрического тока, подводимого к токопроводящим элементам вращающихся тел, предварительно выполнив тело содержащим электропроводящие элементы, либо теплоту создают и трением, в том числе и вынужденным, в том числе и о вращающиеся поверхности тел. Т.е. возможность интенсивного рассеивания теплоты вращающимися поверхностями тел можно реализовать и в виде компактного и эффективного нагревателя воздуха в помещениях и квартирах, например, вращением на оси электродвигателя диска, содержащего в себе электропроводность, например в магнитном поле либо в высокочастотных полях, в которых они будут и нагреваться и тут же рассеивать полученную теплоту с несравнимо большей интенсивностью, чем обычные конвекторы, но не нагреваясь настолько, чтобы, как говорится, "не выжигать кислород". Немного сложнее, но экономичнее можно нагревать воздух вращающимся телом, если в нем имеются электронагревательные элементы, к которым можно подводить электрический ток через коллекторный узел на валу электродвигателя, можно и нагреваемую поверхность тела выполнить напылением токопроводящего материала.

Предлагаемый способ теплообмена позволит повысить и интенсивность охлаждения автомобильных либо мотоциклетных тормозов, выполнив тормозной диск не плоским, как обычно, а сужающимся к периферии, например коническим и т.п.

Возможность практической реализации предлагаемого способа теплообмена в различных вариантах демонстрируются на прилагаемых чертежах.

На фиг. 1 представлен один из вариантов осуществления способа теплообмена между двумя средами, разделенными вращающимся диском.

На фиг. 2 представлен один из вариантов объемного теплообмена между двумя средами с индивидуальными вращающимися теплообменными поверхностями и использованием между ними жидкометаллического теплоносителя.

На фиг. 3 и 4 представлен один из вариантов способа теплообмена между двумя средами с общей вращающейся теплообменной поверхностью вращения, на фиг. 4 дан разрез по А-А фиг. 3.

На фиг. 5 представлен вариант способа нагрева среды вращающимся металлическим диском в магнитном поле магнита.

На фиг. 6 представлена в упрощенном виде испытательная установка с вращающимся диском из чертежной кальки в атмосферном воздухе, при комнатной температуре, и не горящей в пламени паяльной лампы.

Практическая реализация предлагаемого комплексного способа теплообмена возможна в разнообразных вариантах. Например, в представленном на фиг. 1 варианте способа теплообмена между средами к вращающемуся с угловой скоростью ω тонкому теплопроводному диску 1 с обеих сторон подводят, например, по оси вращения теплообменивающиеся между собой среды 2 и 3 и в теплоизолированном корпусе 4 вращающимися поверхностями диска 1 интенсивно раскручивают главным образом пристенные пограничные слои сред. Интенсивным раскручиванием пристенных пограничных слоев сред создают на них центробежные силы, всегда направленные от оси вращения, которыми пристенные пограничные слои сред интенсивно перемещают по поверхности диска к его периферии. Одновременно замещают перемещенные молекулы сред другими молекулами сред, подсасывая их к диску. В результате создают очень интенсивный теплообмен между средами и поверхностями, а через высокотеплопроводный тонкий диск создают и достаточно интенсивный теплообмен между теплообменивающимися средами, при относительно малых затратах энергии на вращение диска даже при средах с нулевой начальной скоростью. Теоретически и практически определено, что при скорости вращения 30000 об/мин и диаметре диска, равном 150 мм, расход мощности составляет около 100 Bт. Перетоки сред между собой по зазорам между диском и корпусом блокируют установкой известных уплотнителей 5. Процесс теплообмена между средами 2 и 3 может быть и противоточным, если одну из сред принудительно перемещать по поверхности диска в направлении от периферии и к оси вращения. В результате вынужденного взаимодействия тонкого пристенного пограничного слоя среды, движущегося от оси к периферии по поверхности диска под действием центробежных сил и одновременно вращающегося с поверхностью со скоростью, близкой к ω, и более толстого потока среды, движущегося вдоль диска от периферии к оси диска, создают вихревой перенос теплоты между этими потоками, а также и высокоинтенсивный перенос теплоты в целом между средой и поверхностью.

При вращении плоского диска и движении среды по нему под действием центробежных сил в направлении от оси к периферии, как уже отмечено ранее, пристенный пограничный слой сред движется тонким слоем по поверхности диска и происходит непрерывный подсос среды к диску. Однако образующая вращающейся поверхности диска может быть и не перпендикулярной к оси вращения и даже не прямой линией, а криволинейной, как на фиг. 2. В этом случае к вращающемуся с угловой скоростью ω теплообменному ротору 1 подводят теплообменивающиеся среды 2 и 3 либо, например, прямоточно, т.е. обе по оси ротора, либо противоточно, как на фиг. 2, когда одну из сред, например 2, подводят в направлении от периферии к оси ротора. В теплоизолированном корпусе 4 вращающимися поверхностями ротора 1 раскручивают главным образом пристенные пограничные слои сред 2 и 3. В результате на молекулах пристенных пограничных слоев сред, в том числе и в так называемом тепловом подслое среды с низкой молекулярной теплопроводностью, создают интенсивные центробежные силы P_цб, направленные перпендикулярно к оси вращения, а потоки сред, в том числе и пристенные пограничные слои сред, принудительно перемещают вдоль поверхности ротора. В результате центробежные силы P_цб вынуждают молекулы пристенных пограничных сред двигаться в сторону от поверхности ротора 1. В результате сложного взаимодействия молекул происходит интенсивное турбулентное возмущение сред у поверхностей ротора. Этим достигается высокая интенсивность теплообмена сред с поверхностью. Перетоки сред 2 и 3 между собой по зазору между ротором 1 и корпусом 4 блокируются установкой известных уплотнителей 5. Так как центробежные силы хорошо "отрывают" от поверхности ротора 1 молекулы сред только на внешней поверхности ротора, то теплообменные поверхности ротора 1 со средами 2 и 3 оказываются на значительном расстоянии друг от друга, то это вынуждает применять вынужденную циркуляцию жидких теплоносителей во внутренней полости ротора 1, а еще лучше жидкометаллических теплоносителей, так как они имеют молекулярную теплопроводность почти как у металлов. Циркуляцию жидких теплоносителей во внутренней полости ротора 1 можно создавать либо полем центробежных сил вращающегося ротора, либо использованием известных циркуляционных устройств в случаях конструктивного затруднения в подводе газоходов к одному корпусу 4, либо при необходимости выполнить уплотнение 5 на минимальном диаметре D_min с целью снижения перетоков сред через уплотнение. Естественно, что толщина стенки ротора 1 выбирается минимальной. И тем не менее в любом случае между наружными теплообменными поверхностями ротора 1 будет разность температур ΔT, хотя может быть и незначительной при тонких стенках и интенсивной циркуляции теплоносителей внутри ротора.

Вариант реализации способа теплообмена, представленный на фиг. 3 и 4, позволяет исключить разность температур между внешними поверхностями ротора, находящимися в теплообмене с разными средами, т.е. сделать ΔT, равным нулю. Вращаемую с угловой скоростью ω внешнюю поверхность вращения ротора 1 попеременно омывают теплообменивающимися средами 2 и 3, движущимися со скоростями V₂ и V₃, например, противотоком, как на фиг. 4, навстречу друг другу в разъемном теплоизолированном корпусе 4 и разделенном на две полости или несколько полостей по количеству теплообменивающихся сред. Перетоки сред по зазорам между корпусом 4 и вращающимся ротором 1 блокируют установкой известных уплотнителей 5. Процесс теплообмена протекает аналогично изложенному выше. Т. е. интенсивно вращают поверхность вращения ротора 1 с угловой скоростью ω и попеременно производят то нагрев элементов поверхности ротора 1, например, в греющей среде 2, то их охлаждение в нагревательной среде 3. Этим исключаем перенос теплоты теплопередачей между поверхностями через стенки, омываемыми разными средами, и между внутренними поверхностями стенок и циркулирующим внутри теплоносителем и самим теплоносителем с соответствующими потерями тепловых напоров на каждом этапе. И в этом случае величина теплопроводности стенок не имеет существенного значения, и ротор можно выполнить из керамики. Вращение ротора 1 осуществляют одним из известных способов.

Предлагаемый способ теплообмена можно реализовать и в компактной установке для нагрева помещений или газов, как изображено на фиг. 5. В этом случае вращают электропроводящий диск 1 в магнитом зазоре, например электромагнита 2. При вращении диска 1 в магнитном поле магнита 2 в диске 1 возникают токи индукции, которые текут по диску в режиме короткого замыкания и превращают эти токи индукции в тепле, которое тут же рассеиваются его вращающимися поверхностями в омывающих их средах аналогично вышеизложенному. Диск 1 может быть и неметаллическим, а лишь содержать в себе достаточного сечения коротко замкнутые электропроводящие элементы. Привод диска 1 может осуществляться электродвигателем как на вентиляторе, так и самой магнитной системой, расположенной по периферии. Нагревать вращающийся диск 1 можно и в высокочастотных электрических полях. Нагревать вращающийся диск 1 можно и электрическим током, выполнив его содержащим электронагревательные элементы, а электрический ток подводить к ним через двухкольцевой коллектор на оси ротора электродвигателя.

На фиг. 6 представлен вариант способа интенсивного рассеивания в воздухе теплоты паяльной лампы вращающимся диском. В частности, при данном эксперименте диск 1 был выполнен из чертежной кальки диаметром 150 мм и вращался валом шлифовальной машинки со скоростью 30000 об/мин на расстоянии от паяльной лампы около 300 мм. Диск 1 настолько интенсивно рассеивает тепло паяльной лампы, что не загорался в воздухе при комнатной температуре. Предохранительный стаканчик защищает от огня участок диска с малой окружной скоростью от возгорания. При снижении скорости вращения, например при выключении шлифовальной машинки, бумажный диск вначале коричневеет, а затем загорается.

Изобретение может быть использовано в первую очередь в устройствах регенеративного возврата тепла отработанных газов транспортных газотурбинных двигателей и в двигателях внешнего сгорания типа "Стирлинг" и "Эриксон". Увеличение интенсивности теплообмена достигается увеличением интенсивности относительного движения сред в относительно тонком и так называемом тепловом подслое сред с малой молекулярной теплопроводностью у поверхностей тел центробежными силами. Это достигается тем, что интенсивно вращают поверхности тел, в результате чего происходит кинетический перенос теплоты. Элементарные поверхности вращающихся поверхностей тел и околоповерхностные элементы, если они имеются, предварительно и предпочтительно располагают друг относительно друга и осей вращения в положениях, не препятствующих эффективному и интенсивному относительному движению у соответствующей поверхности либо у соответствующих поверхностей, в том числе и под действием центробежных сил, в том числе и при непосредственном переносе теплоты между теплообменивающимися средами вращением поверхности либо поверхностей тела, либо тел в теплообменивающихся средах, в том числе и в нескольких, а также и при теплообмене между средами вращением соответствующих поверхностей тела, либо тел в соответствующих средах с созданием соответствующего по интенсивности переноса теплоты между тепловоспринимающими и теплорассеивающими поверхностями, в том числе и при теплообмене вращением поверхностей нескольких тел в одной или нескольких средах. При таком способе теплообмена увеличивается его интенсивность. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ теплообмена, включающий в себя самопроизвольное перемещение теплоты между средой и поверхностью при разных температурах и относительном движении между ними, создаваемом по крайней мере вращением поверхности, отличающийся тем, что создают интенсивные относительные движения и у поверхности тела либо и у поверхностей тела либо тел главным образом центробежными силами, создаваемыми на молекулах среды либо сред интенсивным вращением соответствующей поверхности тела либо соответствующих поверхностей тела либо тел, в том числе и вращением с интенсивностью, обеспечивающей по крайней мере относительные движения с главным образом кинетическим переносом теплоты взамен преимущественно молекулярной теплопроводности и у поверхности либо поверхностей, элементарные поверхности которых и их околоповерхностные элементы, если они имеются, предварительно и предпочтительно располагают друг относительно друга и осей вращения в положениях, не препятствующих эффективному и интенсивному относительному движению у соответствующей поверхности либо у соответствующих поверхностей, в том числе и под действием центробежных сил, в том числе и при непосредственном переносе теплоты между теплообменивающимися средами вращением поверхности либо поверхностей тела либо тел в теплообменивающихся средах, в том числе и в нескольких, а также и при теплообмене между средами вращением соответствующих поверхностей тела либо тел в соответствующих средах с созданием соответствующего по интенсивности переноса теплоты между тепловоспринимающими и теплорассеивающими поверхностями, в том числе и при теплообмене вращением поверхностей нескольких тел в одной или нескольких средах. 2. Способ теплообмена по п.1, отличающийся тем, что элементарные поверхности соответствующей поверхности тела либо соответствующих поверхностей тела либо тел предварительно располагают по отношению к соответствующей оси либо соответствующим осям вращения предпочтительно с внешней стороны. 3. Способ теплообмена по пп.1 и 2, отличающийся тем, что тангенциальные составляющие относительных движений, создаваемых главным образом центробежными силами у вращающейся поверхности тела либо у вращающихся поверхностей тел, увеличивают в том числе и предварительным уменьшением угла между нормалями к соответствующим элементарным поверхностям внешних вращающихся поверхностей либо поверхности и соответствующими нормалями к оси либо к осям их вращения. 4. Способ теплообмена по п.1, отличающийся тем, что дальнейшее перемещение теплоты, воспринятой соответствующей поверхностью от соответствующей среды либо предварительный подвод теплоты к соответствующей теплорассеивающей поверхности в соответствующей среде, а также промежуточное перемещение теплоты между соответствующими тепловоспринимающими и теплорассеивающими поверхностями создают при необходимости и с использованием циркуляции жидкого теплоносителя в рабочем состоянии и с предпочтительной интенсивностью, обеспечивающей соответствующую интенсивность сред с поверхностями тела либо тел. 5. Способ теплообмена по п. 1, отличающийся тем, что вращающейся поверхностью либо вращающимися поверхностями тела либо тел рассеивают в соответствующих средах либо среде и теплоту, создаваемую в соответствующем теле либо телах, в том числе как электрическим током, подводимым к соответствующему телу, так и создаваемую в результате вращения соответствующего тела в энергетических полях, в том числе и магнитных.