Теплообменная поверхность Российский патент 2022 года по МПК F28F13/00 

Изобретение относится к устройствам для интенсификации конвективного теплообмена.

Наиболее близким устройством того же назначения, к заявленному изобретению по совокупности признаков, является устройство для интенсификации конвективного теплообмена, включающий осесимметричные каналы переменного сечения, образованные верхней и нижней пластинами и продольно-волнистыми ребрами с прорезями (см. А.с. №285938, МПК F28f3/02, F28f13/02 Способ интенсификации конвективного теплообмена. // Кирпиков В. А., Гутарев В. В., Лейфман И.И. – Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР. 1971), принятое за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится большой расход теплоты, используемой для подогрева нагреваемой среды (воздуха).

Технический результат – повышение интенсивности и эффективности теплообмена, повышение эффективности передачи теплоты от стенок каналов к нагреваемой среде, а также экономия теплоты, используемой для подогрева нагреваемой среды (воздуха).

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что теплообменная поверхность, включающая осесимметричные каналы переменного сечения, образованные верхней и нижней пластинами и продольно-волнистыми ребрами с прорезями, дополнительно снабжена, встроенными на входах осесимметричных каналов, пульсаторами, состоящими из полукольцевых каналов с разделителем, установленным между ними с обеспечением разного проходного сечения каналов, и резонатора изготовленного из тонкой пластины, закрепленного на стенке осесимметричного канала за полукольцевыми каналами, при этом угол раскрытия продольных-волнистых ребер принят в пределах от 0 до 5^о.

Закон, по которому изменяют расход пульсирующего потока, записан в виде: ,

– расход, м³/с; – площадь сечения, м²; – начальная скорость м/c; – амплитуда пульсаций, м; – время, с; – частота, Гц; – число 3,14.

На чертежах представлены:

на фиг.1 – схема устройства теплообменной поверхности, где приняты обозначения: 1 – конфузорно-диффузорный канал, 2 – нижняя пластина, 3 – верхняя пластина, 4 – продольно-волнистое ребро;

на фиг. 2 – разрез теплообменного элемента, где: 1 – конфузорно-диффузорный канал, 2 – нижняя пластина, 3 – верхняя пластина, 4 – продольно-волнистое ребро, 5 – прорезь, 6 – пульсатор, 7 – правый полукольцевой канал, 8 – левый полукольцевой канал, 9 – резонатор, 10 – разделитель;

на фиг.3 – распределение коэффициента теплоотдачи по длине канала: a – прямой канал, b – конфузорно-диффузорный канал, c – конфузорно-диффузорный канал при наложенных пульсациях (ускорение), d – конфузорно-диффузорный канал при наложенных пульсациях (торможение).

Фигура 3 иллюстрирует результаты исследования теплообмена в конфузорно-диффузорных каналах с пульсациями (торможение и ускорение потока) и без них и в прямом канале без пульсации.

Теплообменная поверхность для интенсификации конвективного теплообмена содержит конфузорно-диффузорные каналы 1, образованные нижней пластиной 2, верхней пластиной 3 и продольно-волнистыми ребрами 4, имеющими прорези 5, через которые осуществляется вдув (отсос) потока воздуха для интенсификации теплообмена. На входах конфузорно-диффузорных каналов 1 установлены пульсаторы 6, сформированные из правого полукольцевого канала 7, левого полукольцевого канала 8, установленного между ними разделителя 10 и резонатора 9, представляющего собой тонкую пластинку, закрепленную на стенке конфузорно-диффузорного канала 1 за полукольцевыми каналами.

Пульсаторы 6 могут быть изготовлены из металлов, сплавов или других коррозионно-устойчивых материалов.

Разделитель 10 выполнен из коррозионно-устойчивых материалов в виде треугольной призмы со скругленными углами.

Сведения, подтверждающие возможность достижения указанного выше технического результата.

Для интенсификации конвективного теплообмена нагреваемая среда (воздух) подается в конфузорно-диффузорные каналы 1. Воздух входит в конфузорно-диффузорные каналы 1, проходит через пульсаторы 6, работа которых заключается в создании пульсаций потока воздуха. Пульсации потока воздуха создаются за счет резонатора 9. Воздух входит в конфузорно-диффузорный канал 1 проходит полукольцевые каналы: правый полукольцевой канал 7 и левый полукольцевой канал 8, встречается с резонатором 9 и под действием потоков, прошедших через полукольцевые каналы и разделитель 10, резонатор 9 начинает колебаться. Колебания резонатора 9 возникают за счет того, что потоки воздуха прошедшие через правый полукольцевой канал 7 и левый полукольцевой канал 8 имеют различные скорости из-за разного проходного сечения каналов. Так как конфузорно-диффузорный канал 1, соединенный с выходом пульсатора 6 выполнен в виде конфузора, образованного продольно-волнистыми ребрами 4, то давление за пульсатором 6 будет выше давления на начальном участке конфузорно-диффузорного канала 1. Поток воздуха за счет разности давлений пойдет от входа пульсатора 6 к конфузорно-диффузорному каналу 1 через продольно-волнистые ребра 4. Под действием пульсаторов 6 поток воздуха в конфузорно-диффузорном канале 1 приобретает пульсационный характер движения. Таким образом, в конфузорно-диффузорных каналах 1 реализуется пульсирующее течение нагреваемой среды, что приводит к интенсификации теплоотдачи от стенок каналов к нагреваемой среде (воздуха) и, соответственно, к более эффективному процессу передачи теплоты. Пульсации потока теплообменивающейся среды имеют вид гармонических колебаний.

Угол раскрытия продольных-волнистых ребер 4 составляет от 0 до 5⁰, так как по данным исследованиям [1, 2] при таком угле раскрытия интенсивность теплообмена максимальна.

Результаты исследования роста эффективности теплообмена представленные на фиг.3 показывают, что интенсивность теплообмена в конфузорно-диффузорных каналах в 1,8 раз выше чем, в прямых каналах. При этом наложенные пульсации потока в конфузорно-диффузорных каналах ведет к росту теплообмена 1,5 раза.

Список литературы

1. Терехов В. И., Богатко Т. В. Особенности теплообмена в осесимметричном диффузоре после внезапного расширения трубы // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2015. №1 (16) . С. 95–100.

2. Петрова Н. П., Цынаева А. А. Численное исследование теплообмена в канале теплообменника с градиентом давления // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11, № 12. С. 532–540.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в устройствах для интенсификации конвективного теплообмена. Теплообменная поверхность, включающая осесимметричные каналы переменного сечения, образованные верхней и нижней пластинами и продольно-волнистыми ребрами с прорезями, дополнительно снабжена встроенными на входах осесимметричных каналов пульсаторами для создания пульсирующего движения потока воздуха в каналах, а угол раскрытия продольно-волнистых ребер принят в пределах от 0 до 5°. Технический результат – повышение интенсивности и эффективности теплообмена, эффективности передачи теплоты от стенок каналов к нагреваемой среде, а также экономия теплоты, используемой для подогрева нагреваемой среды (воздуха). 3 ил.

Теплообменная поверхность, включающая осесимметричные каналы переменного сечения, образованные верхней и нижней пластинами и продольно-волнистыми ребрами с прорезями, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена встроенными на входах осесимметричных каналов пульсаторами, состоящими из полукольцевых каналов с разделителем, установленным между ними с обеспечением разного проходного сечения каналов, и резонатора, изготовленного из тонкой пластины, закрепленного на стенке осесимметричного канала за полукольцевыми каналами, при этом угол раскрытия продольно-волнистых ребер принят в пределах от 0 до 5°.