Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи Российский патент 2022 года по МПК F28F3/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности может быть использовано для нагрева или охлаждения приточного воздуха систем кондиционирования и вентиляции, а также для теплоэнергетических установок ТЭС.

Аналогом данной теплообменной поверхности для интенсификации теплоотдачи является теплообменная поверхность (см. статья Габдрахманов И. Р. и др. Применение пластинчатых теплообменных аппаратов с поверхностными интенсификаторами теплоотдачи в системах «EGR» для улучшения экологических характеристик ДВС //Вестник Казанского технологического университета. – 2015. – Т. 18. – №. 5. – С. 205-208.). Поверхность характеризуется тем, что выполнена в виде периодически нанесенных выемок цилиндрической формы диаметром D и глубиной h. Приведенные результаты экспериментальных данных показывают, что использование данной поверхности с цилиндрическими выемками позволяет повысить уровень эффективной теплоотдачи до 36%.

Однако данная теплообменная поверхность увеличивает коэффициент гидравлического сопротивления, что в свою очередь снижает общую теплогидравлическую эффективность.

Наиболее близкой теплообменной поверхностью к заявленному изобретению является теплообменная поверхность в виде периодически нанесенных выемок, выполненных в овально-траншейной форме (см. пат. РФ на изобретение №2684303, опубл. 13.06.2018) и принятая за прототип. Поверхность характеризуется тем, что выполнена из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрической вставкой длинной l, развернутых под углом ф к набегающему потоку. Приведенные результаты численных исследований показывают, что использование данной поверхности с овально-траншейными выемками (относительной глубиной h/b=0,18-0,37; относительным удлинением цилиндрической части выемки l/b=4,7-5,78; относительным удлинением выемки l_k/b=5,57-6,78; радиусом скругления кромок r=0,025b; углом натекания потока на выемку ф=45°) позволяет повысить уровень коэффициентов теплоотдачи на ней до 6 раз выше Nu₍₁₎/ Nu₀₍₁₎=1,243 чем у сферической выемки без учета площади внутренней поверхности Nu₍₁₎/ Nu₀₍₁₎=1,063, и в 4 раза выше при учете площади поверхности выемки Nu₍₁₎/ Nu₀₍₁₎=1,19 против Nu₍₁₎/ Nu₀₍₁₎=1,054, при росте коэффициентов гидросопротивления по сравнению с сферической выемкой всего в ξ ₍₁₎/ ξ ₀₍₁₎=1,13 раза.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной теплообменной поверхности, принятой за прототип, относится то, что поверхность работает только при развитом турбулентном режиме (Re=10000), нехарактерном для систем обеспечения микроклимата (подогреватели приточного воздуха систем вентиляции).

Сущность изобретения заключается в повышении эффективности работы теплообменной поверхности в переходном режиме 3000 ≤ Re ≤ 10000.

Технический результат – повышение эффективности работы теплообменной поверхности в переходном режиме 3000 ≤ Re ≤ 10000.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи выполнена в виде периодически нанесенных выемок, причем выемки выполнены в траншейно волновой форме, состоящей из двух секторов дуг l_1, окружностей радиусом r_1, расположенных между собой на расстоянии c, и замыкаемых сектором дуги l₂ окружности радиусом r₂, отображенных зеркально относительно оси y, а затем оси x с геометрическими соотношениями:

l₁/c=1,86

l₂/c=0,53

r₁/c=2

r₂/c=0,84

h/c=0,25

l₁ – длина дуги сектора окружности центральной части, мм;

l₂ - длина дуги сектора окружности торцевой части, мм;

r₁ – радиус окружности центральной части, мм;

r₂ - радиус окружности торцевой части, мм;

h – глубина углубления, мм;

c – ширина углубления, мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фигуре 1 представлена схема волнообразных выемок на предлагаемой теплообменной поверхности с условным обозначением геометрических размеров и направлением течения потока относительно теплообменной выемки, где l₁ – длина дуги сектора окружности центральной части, l₂ – длина дуги сектора окружности торцевой части, r₁ – радиус окружности центральной части, r₂ - радиус окружности торцевой части, c – ширина углубления.

На фигуре 2 представлен поперечный разрез выемки в сечении А-А обозначенном на фигуре 1 с условным обозначением геометрических размеров, где h – глубина углубления, c – ширина углубления.

В таблице 1 представлены характеристики эффективности выемок по результатам сравнения с поверхностью с цилиндрическими выемками и с гладкой поверхностью, где E_вц=Nu_(в)/Nu_(ц) – тепловая эффективность по сравнению с поверхностью с цилиндрическими выемками, E_вгл=Nu_(в)/Nu_(гл) - тепловая эффективность по сравнению с гладкой поверхностью, Т_вц= ξ _(в)/ξ_(ц) – гидравлическая эффективность по сравнению с поверхностью с цилиндрическими выемками, Т_вгл= ξ _(в)/ξ_(гл) – гидравлическая эффективность по сравнению с гладкой поверхностью; индексы: в – поверхность с волнообразными выемками, ц – поверхность с цилиндрическими выемками, гл – гладкая поверхность.

Таблица 1 – Характеристики тепловой эффективности углублений в диапазоне скоростей

Re Nu_(в)/ Nu_(ц) ξ _(в)/ξ_(ц) (Nu_(в)/ Nu_(ц))/ (ξ _(в)/ ξ _(ц)) Nu_(в)/ Nu_(гл) ξ _(в)/ξ_(гл) (Nu_(в)/ Nu_(гл))/ (ξ _(в)/ ξ _(гл)) 2000 1,223 0,610 2,007 1,262 1,095 1,153 4000 1,166 0,515 2,262 1,382 1,036 1,334 6000 1,120 0,541 2,070 1,334 1,054 1,265 8000 1,083 0,564 1,920 1,270 1,096 1,159 10000 1,128 0,550 2,053 1,214 1,129 1,075 12000 1,089 0,578 1,885 1,161 1,146 1,013

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем:

Работа предлагаемой теплообменной поверхности для интенсификации теплоотдачи, выполненной в виде периодически нанесенных выемок, осуществляется следующим образом. На теплообменной поверхности предлагается нанести выемки волнообразной формы, которые вызывают явление отрыва пограничного слоя, образующегося вблизи стенки, который увеличивает сопротивление теплопередачи. При обтекании выемки поток попадает в ее полость, где образуется точка отрыва, за которой образуется возвратно-вихревое течение, турбулизирующее поток вблизи стенки. Воздух вдоль поверхности выемки движется из области меньших давлений в область больших, вследствие действия сил вязкости и разности давлений спереди и сзади выемки. Энергия от образовавшихся вихрей переходит в тепло, увеличивая теплоотдачу с теплообменной поверхностью. Волнообразная форма выемки, образованная дугой окружности l₁ в передней части и отзеркаленной относительно осей х и y дугой l₁ в задней части выемки, приводит к возникновению повторных более мощных самоорганизующихся вихрей, которые не препятствуют развитию друг друга. Благодаря данному расположению они значительно увеличивают конвективный теплообмен в полости выемки и за ней, при этом не вызывая значительного увеличения коэффициента местного сопротивления. Важно то, что процесс передачи теплоты осуществляется более эффективно при переходном режиме с 3000≤Re≤10000.

Численные исследования эффективности использования выемок волнообразной формы, производились на основании решения дифференциальных уравнений сохранения движения, энергии, состояния. Методология исследования описана в работе (Белая, В. В. Исследование влияния интенсификаторов волнообразной формы на теплообмен / В. В. Белая, А. А. Цынаева // Промышленная энергетика. – 2020. – № 12. – С. 22-26.) и подтверждена верификацией. Сравнение производилось с выемками цилиндрической формы в широком диапазоне значений Re (от 800 до 18 000), причем площадь пятна выемок у предлагаемой поверхности теплообмена была равна площади цилиндрических выемок сравниваемого аналога. Так же производилось сравнение теплообменной поверхности с волнообразными выемками с гладкой теплообменной поверхностью. Расчет для гладкого канала производился на основании данных (Дзюбенко Б. В. и др. Интенсификация тепло-и массообмена на макро-, микро-и наномасштабах. – 2008.) Результаты исследований теплообмена показали, что изобретение позволяет повысить теплоотдачу за счет увеличения мощности теплового потока в волнообразной выемке при более низких сопротивлениях трения. Тепловая эффективность волнообразной выемки Nu_(в) до 22% выше, чем у цилиндрической выемки Nu_(ц), и до 38% выше, чем тепловая эффективность в гладком канале Nu_(гл).

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для систем кондиционирования и вентиляции, а также для теплоэнергетических установок ТЭС. Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи выполнена в виде периодически нанесенных выемок, выполненных в траншейно-волновой форме. Технический результат – повышение эффективности работы теплообменной поверхности. 2 ил., 1 табл.

Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи, выполненная в виде периодически нанесенных выемок, отличающаяся тем, что выемки выполнены в траншейно-волновой форме, состоящей из двух секторов дуг l₁, окружностей радиусом r₁, расположенных между собой на расстоянии c, и замыкаемых сектором дуги l₂ окружности радиусом r₂, отображенных зеркально относительно оси y, а затем оси x с геометрическими соотношениями:

l₁/c=1,86,

l₂/c=0,53,

r₁/c=2,

r₂/c=0,84,

h/c=0,25,

где l₁ – длина дуги сектора окружности центральной части, мм;

l₂ - длина дуги сектора окружности торцевой части, мм;

r₁ – радиус окружности центральной части, мм;

r₂ - радиус окружности торцевой части, мм;

h – глубина углубления, мм;

c – ширина углубления, мм.