ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ Российский патент 2003 года по МПК F28F3/02 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к теплоэнергетическим установкам, используемым для отопления помещений, зданий, сооружений, а также в различных промышленных установках.

Известен теплообменник с пламенным нагревом (патент Германии 4239689, F 28 D 1/04, опубл. 01.06.94), который содержит горелку, направляющее устройство для горячих газов, сборную камеру для отходящих газов. Между направляющим устройством и сборной камерой имеется полость, которая служит в качестве пламенного пространства печи, и имеется трубка теплообменника, установленная соосно с проходными отверстиями на направляющем устройстве или сборной камере для отходящих газов.

Известна теплообменная поверхность и способ управления процессами тепломассообмена, реализованный в данном устройстве (международная заявка WO 93/20355, F 28 D 1/12, F 28 F 1/10, опубл. 14.10.93). Изобретение решает задачу управления процессами тепломассообмена путем инициирования образования крупномасштабных вихревых структур и направления их развития. Устройство, реализующее способ, - это поверхность обтекания или тепломассообменная поверхность, являющаяся границей раздела между текущей сплошной средой газа и твердой стенкой, плоской, цилиндрической, конической или любого другого профиля, позволяющей управлять процессами в пограничном или пристенном слоях течения за счет выполнения на ней трехмерного вогнутого или выпуклого рельефа. Трехмерный рельеф выполнен в виде вогнутостей или выпуклостей с участками закругления и перехода, расположенных в шахматном или коридорном порядке. Вогнутости на поверхности теплообмена являются вихревыми интенсификаторами теплообмена. Эпицентры образования вихрей находятся внутри вогнутостей, в передней по потоку части. Внутри каждой вогнутости в задней части по направлению основного (внешнего) потока образуется зона подсоса воздуха из потока.

Известна теплообменная поверхность (а.с. 1768917, МПК F 28 F 1/10, 3/02. опубл. 15.10.92. Бюл. 38), содержащая расположенные на поверхности параллельные ряды полусферических лунок. Лунки располагаются в коридорном или шахматном порядке.

Известна теплообменная поверхность (авт. св. 1744412А2, F 28 F 1/10, 3/02. опубл. 30.06.92. Бюл.24), содержащая расположенные на поверхности параллельные ряды сферических лунок, каждая из которых выполнена с примыкающим к ней коническим углублением. В центральной части каждой лунки выполнен выступ.

Известен способ организации горения и стабилизации пламени на теплообменной поверхности, теплообменная поверхность для осуществления способа и секция теплообменника (патент на изобретение 2137037, F 28 F 1/10, F 28 D 1/12, опубл 1999 г.). Теплообменная поверхность для реализации данного способа является прототипом к заявляемому устройству. Теплообменная поверхность содержит расположенные параллельными рядами полусферические лунки, один ряд полусферических лунок или нескольких рядов снабжены топливными форсунками, расположенными в задней части лунок по направлению основного потока, причем после каждого ряда полусферических лунок с топливными форсунками расположены ряды лунок без них. Кромка полусферических углублений выполнена таким образом, чтобы протяженность выпуклого участка скругления кромки была значительно меньше глубины выемки и была близка к острой кромке. При наличии острой кромки, во всем диапазоне режимов течения в каналах теплообменных устройств, в полусферических углублениях на кромках формируется отрыв с последующим циркуляционным течением внутри углублений.

Известные теплообменные поверхности достаточно эффективно осуществляют свою функцию теплообмена, но значительный отвод тепла из зоны горения в стенку полусферических углублений из-за охлаждения хладагентом (например, водой), протекающим с другой стороны стенки, значительно ухудшает условия для стабильности горения. Стабилизация пламени путем рециркуляции заключается в передаче тепла из зоны горения для воспламенения свежей смеси. В известной теплообменной поверхности большое количество тепла передается в металлическую охлаждаемую стенку (т.е. стенка остается "холодной"), при этом нет условий для образования зоны "проскока пламени" в области рециркуляции, что значительно снижает стабильность и надежность работы известных теплообменных устройств. Кроме того, стенки большинства теплообменных устройств рекуперативного типа с интенсификаторами охлаждения на поверхности теплообмена выполняют обработкой металла давлением методом глубокой вытяжки из тонколистовых металлических заготовок. Полусферические углубления, изготовленные из плоской листовой заготовки методом глубокой вытяжки, часто имеют дефекты, так как такое формообразование представляет собой результат пластической деформации, сопровождаемой смещением значительной части обрабатываемого металла по высоте изделия. При большой степени деформации и малой толщине исходного материала в области кромок возникает неблагоприятное напряженно-деформированное состояние, что приводит к образованию гофр, трещин, разрывов металла.

По требованиям большого ресурса стенки теплообменных аппаратов в выемках сферической формы, изготавливаемых из листового материала, должны иметь минимальную величину утонения. Но при глубокой вытяжке без утонения стенки процесс осуществляется посредством непрерывного перемещения пуансона с заготовкой в матрицу, в результате чего внешний размер заготовки непрерывно уменьшается. Кромка матрицы, на которой формируется кромка полусферы, ограничивает перемещение металла листовой заготовки внутрь матрицы из окрестности полусферического углубления. Степень деформации по высоте образующей части полусферы непрерывно возрастает и максимальна на ее вершине. При этом неравномерность деформации обусловливает неравномерность наклепа по высоте детали, что и приводит к деформации полусферических выемок при изготовлении теплообменной поверхности.

Технический результат, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности, стабильности и полноты сгорания, а также в повышении теплоотдачи, надежности и ресурса теплообменной поверхности, повышения технологичности изготовления, что приведет к созданию высокоэффективного, компактного теплообменного устройства.

Технический результат достигается тем, что теплообменная поверхность содержит ряды полусферических лунок, при этом лунки одного или нескольких рядов снабжены топливными форсунками и расположены в задней части лунок по потоку. Новым является то, что полусферические лунки снабжены выступами тороидальной формы, плавно сопрягающимися с плоской частью поверхности и с поверхностью лунки, а лунки с топливными форсунками снабжены проницаемыми экранами полусферической формы, расположенными с зазором относительно стенок лунок, в котором расположены сопла форсунок. Относительная высота тороидального выступа равна

где h_выступ - высота тороидального выступа;
d_сф - диаметр сферического сегмента лунки, окаймленного тороидальным выступом.

Cферические лунки с тороидальными выступами размещены в шахматном порядке с плотностью
,
где f_ш - эффективная плотность размещения в шахматном порядке лунок сферической формы с тороидальными выступами на теплообменной поверхности;
d_л - диаметр лунок;
t₁ - поперечный шаг размещения лунок;
t₂ - продольный шаг размещения лунок.

На фиг. 1 представлена теплообменная поверхность с первым рядом лунок, снабженных топливными форсунками и следующими рядами лунок полусферической формы, окаймленных тороидальными выступами.

На фиг. 2 представлен участок секции теплообменника с оппозитно расположенными полусферическими лунками, с подводом топлива, в которые установлены с зазором проницаемые чашки полусферической формы.

На фиг.3 представлены фотографии: а) пример выполнения проницаемого экрана полусферической формы, изготовленной из жаростойкой нержавеющей сетки, подготовленной для закрепления сваркой на кромках лунки; б) экспериментальный "огневой" участок секции теплообменника с полусферическими лунками с топливными форсунками, в которых сваркой закреплены проницаемые экраны полусферической формы, подготовленный для "огневых" испытаний.

На фиг.4 представлены геометрические формы лунок: а) полусферическая лунка первого ряда, в которых организовано горение; б) лунки без топливных форсунок с тороидальными выступами, т.е. углубления двоякой кривизны.

На фиг.5 представлена геометрическая схема размещения лунок на теплообменной поверхности секции теплообменника.

На фиг.6 представлены результаты экспериментальной оценки влияния высоты тороидального выступа на теплоотдачу в полусферических лунках.

На фиг. 7 представлены результаты расчетной оценки влияния высоты тороидального выступа на теплоотдачу на теплообменной поверхности в зависимости от плотности их размещения.

Теплообменная поверхность (фиг.1) представляет собой стенку 1, в которой выполнены расположенные параллельными рядами полусферические лунки 2, образующие с одной стороны стенки вогнутости, а с другой выпуклости. Со стороны вогнутостей стенку 1 обтекает воздух, а со стороны выпуклостей - теплоноситель, например вода. Полусферические лунки 2, например, первого ряда (см. фиг.2) снабжены топливными форсунками 3, расположенными в задней части лунок 2 по направлению основного потока воздуха и сообщены с коллектором подвода топлива, например, природного газа. Устройство снабжено запальником 4, например свечой зажигания. Лунки 2 с топливными форсунками 3 снабжены проницаемыми экранами 5 полусферической формы, расположенными с зазором 8 относительно стенок лунок 2 и жестко закрепленными на кромках 6 полусферических лунок 2. В зазоре 8 расположены сопла форсунок 3.

После каждого ряда полусферических лунок 2 с топливными форсунками 3 расположены (см. фиг.1) ряды полусферических лунок 6 без топливных форсунок. Полусферические лунки 6 снабжены выступами 7 тороидальной формы, плавно сопрягающимися с плоской частью поверхности и с поверхностью лунки 6.

Относительная высота тороидального выступа 7 (см. фиг.4,б) равна

где h_выст - высота тороидального выступа;
d_сф - диаметр сферического сегмента лунки (полусферической лунки 6) окаймленного тороидальным выступом 7.

На теплообменной поверхности (фиг.5) полусферические лунки 6 с тороидальными выступами 7 размещены в шахматном порядке с плотностью
,
где f_ш - эффективная плотность размещения в шахматном порядке лунок полусферической формы 6 с тороидальными выступами 7 на теплообменной поверхности 9; d_л - диаметр лунок; t₁ - поперечный шаг размещения лунок 6; t₂ - продольный шаг размещения лунок 6.

Секция теплообменника содержит две или несколько обращенных друг к другу теплообменных поверхностей с расположенными оппозитно, параллельными рядами, в шахматном порядке лунками 6.

Работает теплообменная поверхность следующим образом. Из теплообменных поверхностей собирают секцию теплообменника (фиг.1). Поток воздуха входит в канал, между двумя теплообменными поверхностями, с оппозитно расположенными углублениями, со стороны полусферических лунок 2 с подводом топлива. С противоположной стороны, т. е. со стороны выпуклостей, проходит поток теплоносителя, например вода. В топливные форсунки 3 подается природный газ, который проходит через проницаемые экраны 5 и поджигается запальником 4. При обтекании воздухом поверхности в лунках 2 происходит образование рециркуляционной зоны и самоорганизация крупномасштабных вихревых структур. Вихревые структуры поочередно выбрасываются во внешний набегающий поток. Посредством этих вихрей происходит интенсивный вынос тепла и массы из лунок 2. Исследования показали, что в оппозитно расположенных полусферических лунках 2 с проницаемыми экранами 5 устанавливается гарантированная стабилизация пламени, поскольку горячая поверхность проницаемых экранов 5 обеспечивает условия для образования вдоль своей поверхности зоны "проскока пламени" в область аэродинамической рециркуляции. Таким образом, проницаемые экраны 5 ограничивают передачу части теплового потока в стенку теплообменника и одновременно позволяют поддерживать горение за счет собственного теплового состояния.

Топливо (например, природный газ), подаваемое через отверстия топливных форсунок 3 (фиг.2), расположенных в задней части лунок 2 по направлению основного потока, проходит в зазоре 8 между дном полусферической лунки 2 и выпуклой поверхностью проницаемого полусферического экрана 5. Затем газ выходит через проницаемую стенку полусферического экрана 5 в область пониженного давления (область отрыва), расположенную в передней части полусферической лунки 2. Эпицентры самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур располагаются в передней по потоку части полусферических лунок 2, и в их сторону идет интенсивный подсос топлива со всей донной поверхности полусферических лунок 2. Благодаря этому идет постоянная подпитка топливом зоны рециркуляционного горения и обеспечивается стабильность горения и полнота сгорания в лунке 2. Проницаемые полусферические экраны имеют высокую температуру. Нагреваясь при проходе в зазоре 8 под проницаемым экраном 5, газ отбирает часть тепла от сетки экрана 5, тем самым защищая ее от прогара. При этом в каждой зоне горения поддерживают коэффициент избытка воздуха α=1,3-1,5.

Продукты сгорания, выносимые из полусферической лунки 2 во внешний набегающий поток, проходят вдоль теплообменной поверхности (см. фиг.1) с рядами полусферических лунок 6 с тороидальными выступами 7, образующими двояковогнутые выемки. Выступ тороидальной формы 7, расположенный по краю углубления сферической формы 6 с плавными сопряжениями между плоской частью поверхности и сферической поверхностью, обеспечивает при натекании потока отрыв потока с последующим рециркуляционным течением внутри углублений. Пристенный поток продуктов сгорания, натекая на тороидальный выступ 7, доходит до его вершины и отрывается, формируя отрывную область, которая расширяется в сферическую часть лунки, образуя обширную рециркуляционную область. Обтекание тороидальных выступов 7 сопровождается высокой турбулизацией потока, благодаря чему в присоединяющемся потоке за выступом 7 образуются крупные вихри, обеспечивающие основной вклад в конвективный теплообмен возле теплообменной поверхности.

Относительная высота тороидальных выступов 7, равная , и шахматное расположение полусферических лунок 6 с тороидальными выступами 7 (двояковогнутых выемок) с плотностью f=0,25 обеспечивают эффективную интенсификацию процесса теплопередачи на теплообменной поверхности.

Специальными сравнительными экспериментальными исследованиями установлены наиболее целесообразные геометрические соотношения для лунок двоякой кривизны, фиг.4,б. Результаты измерений средних значений коэффициентов теплоотдачи в сферическом сегменте лунки 6 с тороидальным выступом 7 сравнивались с измерениями средних значений коэффициентов теплоотдачи в сферическом сегменте лунки 2 без выступов, фиг.4,а.

Относительная высота выступа 7, при которой получен в лунке 6 максимальный прирост теплоотдачи, равен

где h_выст - высота тороидального выступа 7;
d_сф - диаметр сферического сегмента лунки, окаймленного выступом (полусферической лунки 6 с тороидальным выступом 7).

Лишь при этом значении h_выст/d_сф средняя теплоотдача (на фиг.6, кривая с квадратными значками - 2) в выемке выше базового варианта (полусферической лунки без выступов) даже и без учета увеличения теплообменной поверхности выступа. С учетом теплообменной поверхности тороидального выступа еще более увеличивается средняя теплоотдача в выемке с выступом (на фиг.6, кривая с круглыми значками - 1), так как с увеличением высоты выступа средние значения коэффициентов теплоотдачи на лунках 6 с выступами 7 в целом растут из-за увеличения площади теплообменной поверхности тороидального выступа 7.

Дальнейший анализ результатов опытов (см. фиг.7) показал, что средние значения коэффициентов теплоотдачи теплообменной поверхности с интенсификаторами в виде лунок 6 с тороидальными выступами 7 при всех исследованных значениях выше, чем на гладкой теплообменной поверхности. Однако максимальный прирост теплоотдачи при шахматном размещении лунок 6 с выступами 7, превышающий прирост теплоотдачи на теплообменной поверхности с лунками без тороидальных выступов, имеет место только при плотности их размещения
,
где f_ш - эффективная плотность размещения в шахматном порядке лунок 6 полусферической формы с тороидальным выступом 7 на теплообменной поверхности 9; d_л - диаметр лунок с выступом (см. фиг.4,б; фиг.5); t₁ - поперечный шаг размещения лунок; t₂ - продольный шаг размещения лунок.

Такие свойства, как стабильность пламени, полнота сгорания в лунках 2 (фиг. 5) с проницаемыми экранами 5 полусферической формы, с топливными форсунками 3 под ними и повышенный уровень теплообмена в углублениях полусферической формы окаймленных тороидальными выступами на теплообменной поверхности, позволяют создавать компактные высокоэффективные и надежные теплообменные устройства.

Запальная свеча 4 вставлена через стенку 1, лунку 2 и проницаемый экран 5 в область стабилизации горения.

Проницаемые полусферические экраны 5 могут быть изготовлены из перфорированной, нержавеющей тонколистовой стали или жаростойкой нержавеющей сетки (например, см. фиг.3,а) и прикреплены сваркой к кромкам полусферических лунок 2 (например, см. фиг.3,б).

Геометрия полусферических лунок 2(см. фиг.4,а) с подводом топлива, в которых установлены с зазором проницаемые экраны 5 и геометрия полусферических лунок 6 (см. фиг.4,б), к которым топливо не подводится, отличаются друг от друга. Лунки 6 без подвода топлива выполнены с тороидальными выступами (двоякой кривизны), причем выемки их представляют собой сферические сегменты, а выступы 7 на его краях выполнены тороидальной формы. Радиусы сопряжения r₂ и радиусы тороидального выступа r₃ имеют размеры, необходимые для образования плавных переходов от одной формы поверхности к другой (см. фиг. 4,б). Общая высота h_сф выемки 6 и выступа 7 углубления двоякой кривизны без подвода топлива может быть как равной глубине h_сф1 полусферических лунок с подводом топлива, так и меньше этой глубины (см. фиг.4), т.е. h_сф≤h_сф1.

Размещение полусферических лунок 2 с подводом топлива относительно лунок 6 без подвода топлива (с выступами 7) может быть коридорным или шахматным (см. фиг.5), но для повышения эффективности теплообменной поверхности должно быть обеспечено шахматное размещение лунок 6 с выступами 7 с плотностью, равной f=0,25.

Секция теплообменника 1 (фиг. 5) со стабилизацией пламени на теплообменной поверхности может быть последовательно присоединена к другой такой же секции теплообменника со стабилизацией пламени, если требуется дальнейший нагрев теплоносителя.

Таким образом, предлагаемая теплообменная поверхность обеспечивает эффективную, экономичную и надежную интенсификацию процесса теплопередачи в теплообменном устройстве, при этом повышается технологичность изготовления, что обеспечивает высокий ресурс работы и надежность при эксплуатации.

Изобретение предназначено для применения в области теплоэнергетики, а именно в теплоэнергетических установках, используемых для отопления помещений, зданий, сооружений, а также в различных промышленных установках. Теплообменная поверхность состоит из стенки, в которой выполнены расположенные параллельными рядами сферические лунки, образующие с одной стороны стенки вогнутости, а с другой выпуклости. Со стороны вогнутостей стенку обтекает воздух, а со стороны выпуклостей теплоноситель, например вода, часть сферических лунок снабжена топливными форсунками, расположенными в задней части лунок по направлению основного потока и сообщена с коллектором подвода топлива. Сферические лунки без топливных форсунок снабжены выступами тороидальной формы, плавно сопрягающимися с плоской частью поверхности и с поверхностью лунки. Лунки с топливными форсунками снабжены проницаемыми экранами полусферической формы, расположенными с зазором относительно стенок лунок и жестко закрепленными на кромках сферических лунок. Изобретение позволяет повысить эффективность, стабильность и полноту сгорания, а также повысить теплоотдачу, надежность, ресурс и технологичность изготовления теплообменной поверхности. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Теплообменная поверхность, содержащая ряды сферических лунок, при этом лунки одного или нескольких рядов снабжены топливными форсунками, отличающаяся тем, что сферические лунки снабжены выступами тороидальной формы, плавно сопрягающимися с плоской частью поверхности и с поверхностью лунки, а лунки с топливными форсунками снабжены проницаемыми экранами сферической формы, расположенными с зазором относительно стенок лунок, в котором расположены сопла форсунок. 2. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что относительная высота тороидального выступа равна

где h_выступ - высота тороидального выступа;
d_сф - диаметр сферического сегмента лунки с тороидальным выступом. 3. Теплообменная поверхность по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что сферические лунки с тороидальными выступами размещены в шахматном порядке с плотностью

где f_ш - эффективная плотность размещения в шахматном порядке лунок сферической формы с тороидальными выступами на теплообменной поверхности;
d_л - диаметр лунок;
t₁ - поперечный шаг размещения лунок;
t₂ - продольный шаг размещения лунок.