ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2002 года по МПК F28F1/42 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в промышленности и в быту в качестве радиаторов, испарителей, конденсаторов охладителей жидкости и газов.

Исследования [1] (Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, С. А. Ярхо. Интенсификация теплообмена в каналах. - 2-е изд. , перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1981. - 205 с. ) показывают, что наиболее эффективным методом интенсификации теплоотдачи может быть периодическое расположение в каналах плавно очерченных турбулизаторов с высотой, примерно равной толщине пограничного слоя теплоносителя, и шагом, примерно равным эквиваленту размера канала. При этом критерием энергетической эффективности служит примерное равенство роста отношения коэффициентов сопротивления (ξ/ξ_гл) и роста отношения коэффициентов теплоотдачи (α/α_гл) соответственно каналов с турбулизаторами и гладких каналов.

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения энергетической эффективности интенсификации теплообмена в каналах за счет организации регулярной и оптимальной турбулизации пограничного слоя потока теплоносителя внутри канала.

Известен теплообменный элемент в виде плоской поперечно оребренной трубы с прямоугольными внутренними каналами, образованными стенками и перегородками, имеющими гладкие продольные ребра, на которых регулярно настроганы тонкие турбулизаторы, заостренные в вершине и расположенные под острым углом к поверхности (RU 2066036 С1, 27.08.1996).

Простота агрегатирования таких элементов для набора нужной площади теплообменной поверхности обеспечивает высокую технологичность изготовления теплообменных аппаратов в целом, а ребра - турбулизаторы повышают теплоотдачу, например, жидкого теплоносителя на внутренней стороне трубы.

Недостатком такой конструкции теплообменного элемента является возможность чрезмерного загромождения проходного сечения канала, когда увеличение коэффициента теплоотдачи сопровождается многократным нерациональным ростом коэффициента сопротивления, поскольку не оптимизированы высота, шаг и форма турбулизаторов.

Указанные недостатки решаются в теплообменном элементе, выполненном в виде плоской поперечно оребренной трубы с прямоугольными внутренними каналами, образованными стенками и перегородками, имеющими гладкие продольные ребра, на которых регулярно настроганы тонкие турбулизаторы, заостренные в вершине и расположенные под острым углом к поверхности, причем согласно изобретению на гладких продольных ребрах образованы кольцевые или винтовые плавно очерченные канавки, глубина (δ) и шаг (t) которых подбираются исходя из того, чтобы рост сопротивления трения не превышал роста теплоотдачи более чем в 1,5 раза, по формуле:



где ξ_гл;ξ - соответственно коэффициент сопротивления трения для гладких каналов и для каналов с плавно очерченными канавками;
Re; Pz - числа Рейнольдса и Прандтля при средних параметрах потока теплоносителя, скорости в минимальном проходном сечении гладкого канала и эквивалентном размере канала (d_э);
для Re≤2300

b>a - стороны прямоугольного канала;
для 4500>Re>2300

для Re≥4500
ξ_гл= (1,82lgRe-1,64)^-2;
для Re≤2500

для Re>2500




По второму пункту изобретения турбулизаторы выполнены в виде полукруглой стружки с плавно отогнутыми назад лепестком, высота (h), шаг (t) которых и режим потока по числу Рейнольдса (Re) подбираются из соотношений:


В связи с тем, что на продольных ребрах перегородок и сторон образованы кольцевые или винтовые плавно очерченные канавки, глубина (δ) и шаг (t) которых исходя из того, чтобы по отношению к гладким каналам рост сопротивления трения не превышал роста теплоотдачи более чем в 1,5 раза, подбираются по корреляционным зависимостям, полученным авторами заявки путем обработки результатов экспериментов работы (Э. К. Калинин, Г. А. Дрейцер, С. А. Ярхо. Интенсификация теплообмена в каналах. - 2-е изд. перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1981, табл. 2.1). При этом связь между коэффициентами теплоотдачи (α) и сопротивления трения (ξ) для гладких каналов и каналов с турбулизаторами представлена в универсальной форме для чисел Рейнольдса от 500 до 10⁶:



(4)
П_p - поправка на направление теплового потока у стенки:
при охлаждении k= 0,23 Re^-0,25;
при нагревании k= 0,14;
ξ - коэффициент сопротивления трения каналов с турбулизаторами:
для Re≤2500

для Re>2500


- вспомогательная величина; (7)

- относительная глубина турбулизирующей канавки; (8)

- эквивалентный размер сечения канала; (9)

- показатель степени; (10)

- показатель степени; (11)
ξ_гл - коэффициент сопротивления трения гладких каналов:
для Re≤2300

для 4500>Re>2300

для Re≥4500
ξ_гл= (1,82lgRe-1,64)^-2; (14)
b>a - стороны прямоугольного канала;
F - площадь поперечного сечения канала;
u - омываемый периметр поперечного сечения канала;
μ_ст;μ_ср - динамическая вязкость теплоносителя при температуре стенки и при средней температуре потока;
Re; Pz - число Рейнольдса и число Прандтля при средних параметрах потока теплоносителя, при скорости в минимальном проходном сечении гладкого канала и эквивалентном размере канала (d)_э.

В основу структуры модифицированной корреляционной зависимости (1) положено уравнение теплоотдачи, полученное для гладких каналов в работе [2] (Петухов Б. С. , Курчатов В. А. , Гладунцов А. И. Теплообмен в трубах при турбулентном течении газов с переменными свойствами. Сб. "Тепло- и массоперенос". - Минск, ИТМО АН СССР, 1972, т. 1, ч. 11, с. 117-127).

Поделив отношение коэффициентов сопротивления трения канала с турбулизаторами и гладкого канала (ξ/ξ_гл) на отношение коэффициентов теплоотдачи канала с турбулизаторами и гладкого канала (α/α_гл) по зависимости (1), получим выражение, определяющее энергетическую эффективность интенсификации теплообмена при значениях меньше 1,5:

Численные решения неравенства (1,5) работы [1] позволяют утверждать, что энергетически выгодное уменьшение размеров теплообменных аппаратов можно достичь и при значениях
ξ/ξ_гл>α/α_гл до 1,5 раз.

В варианте решения задачи по п. 2 формулы изобретения турбулизаторы выполнены в виде полукруглой стружки с плавно отогнутым назад лепестком, высота (h) и шаг (t) которых и режим потока по числу Рейнольдса (Re) подбираются из соотношений:



Соотношения (16)-(18) получены авторами изобретения на основе анализа рекомендации работы [1] , испытаний натурных образцов теплообменных аппаратов при ограничении режима потока по числу Рейнольдса в диапазоне значений много больше, чем вначале возникновения турбулентных пульсаций и несколько меньших, или равных значениям, определяющим начало развитого турбулентного движения в каналах с турбулизаторами.

На фиг. 1 представлен теплообменный элемент, общий вид;
на фиг. 2 - теплообменный элемент в варианте с плавно очерченными канавками, продольный разрез;
на фиг. 3 - теплообменный элемент в варианте с турбулизаторами в виде полукруглой стружки с плавно отогнутым назад лепестком, продольный разрез;
на фиг. 4 - сечение А-А по фиг. 2;
на фиг. 5 - сечение А-А по фиг. 3.

Теплообменный элемент (фиг. 1) выполнен в виде плоской поперечно оребренной трубы 1 с прямоугольными внутренними каналами 2, образованными стенками 3 и перегородками 4, имеющими гладкие продольные ребра 5.

На продольных ребрах 5 (фиг. 2) по п. 1 формулы изобретения образованы кольцевые или винтовые плавно очерченные канавки 7, глубина (δ) и шаг (t) которых подбираются исходя из того, чтобы рост сопротивления трения (ξ/ξ_гл) не превышал роста теплоотдачи (α/α_гл) более чем в 1,5 раза.

По п. 2 формулу изобретения на продольных ребрах 5 (фиг. 3) образованы турбулизаторы 8 в виде полукруглой стружки с плавно отогнутым назад лепестком, высота (h) и шаг (t) которых и режим потока по числу Рейнольдса подбираются из оптимальных соотношений.

На фиг. 4 и фиг. 5 показаны внешние поперечные лепестковые ребра 6, выполненные на внешней поверхности стенок 3.

Теплообменный элемент 1 работает следующим образом.

Теплообменная среда, например атмосферный воздух, подаваемый вентилятором или движущийся за счет естественной конвекции между поперечными лепестковыми ребрами 6, воспринимает переданное через стенки 3 тепло от движущегося по продольным внутренним каналам 2 теплоносителя, например жидкости, обычно в виде масел или нефтепродуктов.

При движении теплоносителя по внутренним каналам 2 вдоль гладких продольных ребер 5 в области канавок 7 или турбулизаторов 8 проходят срывы только пристенного или тонкого слоя потока благодаря оптимально подобранным для принятого режима течения теплоносителя глубине, шагу и плавной форме канавок или высоте, шагу и полукруглой форме турбулизаторов. При этом возникают мелкие вихревые структуры потока, которые затем выбрасываются за вязкий и буферный слой потока, обеспечивая повышение коэффициента теплоотдачи при умеренном росте коэффициента сопротивления трения, т. е. обеспечивая энергетическую эффективность турбулизации пограничного слоя потока теплоносителя.

Образование на продольных ребрах кольцевых или винтовых канавок осуществляется либо накаткой, либо фрезерованием бор-штангой, а турбулизаторы в виде полукруглой стружки с плавно отогнутым назад лепестком выполняются строгальным инструментом с крутым отгибающим профилем.

Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, а именно в качестве радиаторов, испарителей, конденсаторов, охладителей жидкости и газов. Теплообменный элемент содержит плоскую трубу с внутренними продольными каналами, образованными стенками и перегородками, имеющими продольные ребра, причем с внешней стороны стенок выполнены поперечные лепестковые ребра, а на внутренней стороне трубы на продольных ребрах образованы кольцевые или винтовые плавно очерченные канавки или турбулизаторы в виде полукруглой стружки с плавно отогнутым назад лепестком, глубина и шаг которых подбираются исходя из того, чтобы рост сопротивления трения не превышал роста теплоотдачи более чем в 1,5 раза. Изобретение позволяет обеспечить энергетическую эффективность интенсификации теплообмена в каналах за счет организации регулярной и оптимальной турбулизации пограничного слоя потока. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Теплообменный элемент в виде плоской поперечно оребренной трубы с прямоугольными внутренними каналами, образованными стенками и перегородками, имеющими гладкие продольные ребра, на которых регулярно настроганы тонкие турбулизаторы, заостренные в вершине и расположенные под острым углом к поверхности, отличающийся тем, что, на гладких продольных ребрах образованы кольцевые или винтовые плавно очерченные канавки, глубина δ и шаг t которых подбираются, исходя из того, чтобы рост сопротивления трения не превышал роста теплоотдачи более чем в 1,5 раза, по формуле



где ξ_гл и ξ - соответственно коэффициент сопротивления трения для гладких каналов и для каналов с плавно очерченными канавками;
Re и Pz - числа Рейнольдса и Прандтля при средних параметрах потока теплоносителя, скорости в минимальном проходном сечении гладкого канала и эквивалентном размере канала d_э;
для Re ≤ 2300

b > a - стороны прямоугольного канала;
для 4500 > Re > 2300

для Re ≥ 4500
ξ_гл= (1,82lgRe-1,64)^-2;
для Re ≤ 2500

для Re > 2500




2. Теплообменный элемент по п. 1, отличающийся тем, что турбулизаторы выполнены в виде полукруглой стружки с плавно отогнутым назад лепестком, высота h, шаг t которых и режим потока по числу Рейнольдса (Re) подбираются из соотношений