ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООТДАЧИ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК F28F3/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для повышения эффективности теплообменных аппаратов, применяемых в различных отраслях народного хозяйства, систем охлаждения турбинных лопаток газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей.

Уровень техники

Поиску эффективных искусственных рельефов, формируемых на аэродинамических поверхностях и стенках каналов с целью интенсификации теплообмена, посвящено большое количество работ. Ведутся исследования по определению наиболее эффективной формы выемок, обеспечивающих, наряду с высокой теплоотдачей, относительно небольшие гидравлическими потери. Большое внимание уделяется также изучению вопросов наиболее рационального расположения выемок на теплообменной поверхности, упрощения технологии изготовления теплообменной поверхности и удешевления процесса производства.

Известна теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных углублений овально-траншейной формы, состоящих из двух половинок сферической выемки, соединенных цилиндрической вставкой, развернутых под углом к набегающему потоку [Патент РФ №2684303].

Недостатком этого технического решения является невысокая эффективность теплообменной поверхности и повышенное гидравлическое сопротивление.

Известна также теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных углублений овально-дуговой формы, состоящих из двух половинок сферической выемки, соединенных цилиндрическим торообразным сегментом. Отличительной особенностью данного технического решения является выполнение углублений с расположением касательной к цилиндрическому торообразному сегменту под углом 45° по отношению к направлению потока в начале углубления и 0° в конце углубления. [Патент РФ №2716958].

Недостатком этого технического решения является невысокая эффективность теплообменной поверхности и повышенное гидравлическое сопротивление.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя, включающая выполненные на теплообменной поверхности V-образные углубления в виде двух сопряженных под углом выемок цилиндрической формы со сферическими закруглениями на свободных концах, причем первая выемка расположена под углом 45°, а вторая выемка - под углом 0° по отношению к направлению потока. [Патент РФ №2768667].

Недостатком этого технического решения является невысокая эффективность теплообменной поверхности вследствие того, что во второй выемке, расположенной под углом 0° относительно направления потока, интенсивность теплообменных процессов существенно ниже по сравнению с теплообменными процессами в первой выемке, расположенной под углом 45° относительно направления потока. Кроме того, вторая выемка, расположенная под углом 0° относительно направления потока, создает повышенное гидравлическое сопротивление.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание теплообменной поверхности с повышенной эффективностью.

Раскрытие изобретения

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в увеличении эффективности теплообменной поверхности.

Технический результат достигается за счет того, что на теплообменной поверхности, содержащей V-образные углубления в виде двух расположенных под углом и сопряженных выемок цилиндрической формы со сферическими закруглениями на свободных концах, выемки сопряжены по гладкой поверхности. При этом поверхность сопряжения и выемки расположены симметрично относительно плоскости, ориентированной вдоль потока и перпендикулярной теплообменной поверхности, а поверхность сопряжения расположена ниже по потоку относительно свободных концов выемок.

Выемки в конкретных вариантах реализации изобретения могут иметь геометрические параметры, рассчитанные исходя из следующих соотношений, при которых реализуется наиболее интенсивная теплоотдача теплообменной поверхности при турбулентном течении теплоносителя: L/b = 2 - 2,5; b/h = 2 - 4; α = 40 - 50°, где L - длина цилиндрической части выемок; b - максимальная ширина выемок у свободных концов; h - максимальная глубина выемок у свободных концов; α - угол между осями выемок и вектором скорости потока.

При значениях L/b < 2 нарушается обтекание выемки, что приводит к снижению эффективности теплообмена в выемке. Увеличение L/b более 2.5 практически не влияет на эффективность теплообмена в самой выемке, однако при этом возрастает площадь покрытия поверхности теплообмена выемками, что снижает интегральные характеристики теплообмена.

В частном случае исполнения выемки могут быть сопряжены по сферической поверхности с радиусом, равным радиусу цилиндрических выемок или меньше его. Кроме того, в частном случае реализации изобретения выемки могут быть расположены под углом к поверхности таким образом, что глубина и ширина выемок уменьшается в направлении от свободных концов к поверхности сопряжения.

Отличительным признаком заявленного технического решения является выполнение зоны сопряжения двух выемок с образованием гладкой, хорошо обтекаемой поверхности (без выступов и ребер), например, имеющей сферическую форму. При этом выемки и поверхность сопряжения расположены симметрично относительно плоскости, ориентированной по потоку и перпендикулярной теплообменной поверхности, а поверхность сопряжения расположена ниже по потоку относительно свободных концов выемок. Кроме того, отличительным признаком изобретения, характеризующим один из возможных вариантов его реализации, является расположение выемок под углом к теплообменной поверхности таким образом, что глубина и ширина выемок уменьшаются в направлении от свободных концов к поверхности сопряжения.

Предлагаемая форма теплообменной поверхности позволяет обеспечить стабильное и интенсивное вихревое течение в каждой выемке V-образного углубления и по сравнению с прототипом при равновеликой площади, занимаемой углублениями на теплообменной поверхности, дает возможность существенно увеличить эффективность теплообменной поверхности в целом. В случае выполнения выемок под углом к поверхности (когда глубина выемок уменьшается в направлении от свободных концов к поверхности сопряжения) обеспечивается дополнительно снижение гидродинамического сопротивления без снижения теплообменных характеристик.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично показан вид сверху на теплообменную поверхность с одиночным V-образным углублением, на фиг. 2 - разрез по сечению А-А фигуры, изображенной на фиг. 1, на фиг. 3 - разрез по сечению Б-Б фигуры, изображенной на фиг. 1, на фиг. 4 схематично показан вид сверху на теплообменную поверхность с одиночным V-образным углублением, в котором глубина выемок уменьшается в направлении от свободных концов к поверхности сопряжения, на фиг. 5 - разрез по сечению В-В фигуры, изображенной на фиг. 4.

Осуществление изобретения

На теплообменной поверхности 1 выполнено V-образное углубление в виде двух сопряженных под углом 2α цилиндрических выемок 2 и 3, имеющих форму цилиндрических сегментов кругового сечения, со сферическими закруглениями 4 и 5 на свободных концах. Выемки 2 и 3 сопряжены по сферической поверхности 6 и расположены симметрично относительно линии 7, параллельной вектору скорости потока 8 и проходящей через центр 9 поверхности сопряжения 6 (линия 7 - проекция плоскости, перпендикулярной теплообменной поверхности 1 и содержащей вектор скорости потока 8). При этом V-образное углубление ориентировано своим сопряжением 6 по направлению вектора скорости потока 8. Таким образом, каждая выемка 2 и 3 расположена под углом атаки α по отношению к вектору скорости потока 8. В рассматриваемом примере радиус сферической поверхности сопряжения 6 равен радиусу выемок 2 и 3.

Здесь L - длина цилиндрической выемки 2 и 3, L_к - общая протяженность выемки 2 (или 3), включая протяженность закругления 4 (или 5), а также протяженность поверхности сопряжения 6, h - глубина заглубления выемки 2 (или 3), b - ширина выемки на поверхности 1, R - радиус цилиндрической выемки 2 (или 3) и, соответственно, радиус поверхности сферических закруглений 4 и 5 и поверхности сопряжения 6, R= h/2 + b²/8h. R₁ - радиус сечения закруглений 4 и 5 поверхности сопряжения 6 на теплообменной поверхности 1, R₁ = b/2. Наиболее оптимальным вариантом исполнения теплообменной поверхности являются следующие отношения, определяющие геометрические параметры устройства: длина выемок L/b = 2 - 2,5, глубина выемок h/b = 0,25 - 0,5 (b/h = 2 - 4), угол атаки выемок (полуугол между выемками 2 и 3) α = 40 - 50°.

В частном случае исполнения глубина выемок 2 и 3 уменьшается вниз по потоку в направлении от сферических закруглений 4 и 5 (свободных концов 4 и 5 выемок 2 и 3) к поверхности сопряжения 6, например, по линейному закону. В этом случае дно выемок расположено под углом β к поверхности 1. Величина угла β ограничена условием - 0<tg(β)<h/L, где h - максимальная глубина выемок 2 и 3 на свободных концах (глубина сферических закруглений 4 и 5), при этом tg(β)=(h-h')/L, где h' - глубина выемок 2 и 3 у поверхности сопряжения 6.

При обтекании потоком 8 V-образного углубления в каждой выемке (2 и 3) возникает интенсивное возвратное (вихревое) течение, обусловленное существованием высоких поперечных градиентов давления вдоль стенок выемок. Вихревое течение приводит к интенсивному теплообмену потока с поверхностью выемок. Поперечный градиент давления и, соответственно, вихревое течение сохраняются на всей протяженности вдоль по размаху выемок 2 и 3 вплоть до поверхности сопряжения 6, что обеспечивает интенсивный теплообмен. По сравнению с прототипом достигается более интенсивный теплообмен потока с поверхностью углублений при равной площади покрытия выемками теплообменной поверхности 1.

Результаты численных исследований ламинарного и турбулентного обтекания периодических рельефов, составленных из наклонных овально-траншейных лунок (ОТЛ), показали высокую эффективность таких рельефов на стенках узких каналов, выражающуюся в повышении коэффициента теплообмена на десятки процентов по сравнению с гладким каналом [см., например, Патент РФ №2684303, 2018 г.]. Эти эффекты объясняются «аномальной интенсификацией отрывного обтекания наклонных ОТЛ», которая, в свою очередь, связана со специфическим распределением давления в полости ОТЛ.

Проведенные в НИИ механики МГУ экспериментальные исследования распределения давления и структуры отрывного обтекания ОТЛ подтвердили результаты расчетов, показывающих, что при наклонном обтекании ОТЛ возникает своеобразная конфигурация распределения давления в передней сферической части лунки, состоящая из двух локализованных зон высокого и низкого давления. Область повышенного давления локализована у задней (выходной) кромки в окрестности сечения сопряжения сферической и цилиндрической частей, а зона минимального давления - в сферической части лунки. Возникновением такой двойной конфигурации при наклонном обтекании ОТЛ в численных исследованиях объясняется кардинальная перестройка возвратного течения, приводящая (по терминологии, принятой в этих работах) к режимам с «аномальной интенсификацией отрывного обтекания ОТЛ» и значительным увеличением теплообмена на стенках канала в окрестности ОТЛ.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при наклонном обтекании ОТЛ значительная интенсификация возвратного течения из-за существования высоких значений градиента давления может достигаться только в верхней по потоку половине ОТЛ, а во второй (нижней по потоку) половине - наоборот, вызывающий раскрутку вихря градиент давления слабый или вообще отрицательный. Поэтому утверждение о том, что при наклонном обтекании ОТЛ осуществляется «аномальная интенсификация отрывного течения» применимо только в отношении передней части лунки. Соответствующие выводы применимы также к криволинейным ОТЛ, описанным в патентах РФ №2768667 и №2768667.

По сравнению с известными техническими решениями, включая наиболее близкое к заявленному (прототип), предлагаемая V-образная конфигурация углубления, составленного из частей двух сопряженных ОТЛ, расположенных симметрично по отношению к направлению набегающего потока, дает возможность существенно повысить эффективность теплообменной поверхности при сохранении общей площади покрытия выемками теплообменной поверхности. Этот результат достигается благодаря тому, что вихревое течение, обуславливающее интенсивный теплообмен, развивается в обеих выемках V-образной конфигурации углубления.

В НИИ механики МГУ проведены экспериментальные и численные исследования структуры обтекания и распределения давления по поверхности предлагаемого V-образного углубления с параметрами α=45°, R=15 мм, b/h=4, L/b=2.5, β=0 при скорости набегающего потока U=50 м/с, единичном числе Рейнольдса Re₁=3.3×10⁶ м^-1. Результаты визуализации поверхностного течения на обтекаемой поверхности и в полости V-образного углубления представлены на фиг. 6. Распределение коэффициента давления по поверхности V-каверны в поперечных сечениях С2, С3, С4, С5 и С6 показано на фиг. 7. Положение поперечных сечений С2 - С6 иллюстрирует фиг. 8. Для идентификации положения дренажных точек в сечениях используется безразмерная криволинейная координата s. Параметр s по абсолютной величине равен расстоянию вдоль соответствующего контура сечения, начиная от точки симметрии (центра) контура. При этом знак s совпадает со знаком декартовой координаты X. Вычисленное поле статического давления на поверхности выемки представлено на фиг. 9.

Результаты экспериментальных и численных исследований подтвердили реализацию высоких поперечных градиентов давления в выемках по всей длине, включая область их сопряжения, что, в свою очередь, обеспечивает интенсивный теплообмен потока с поверхностью, на которой расположены V- образные углубления предлагаемой конфигурации.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для повышения эффективности теплообменных аппаратов в различных отраслях народного хозяйства. Изобретение заключается в выполнении теплообменной поверхности для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя, содержащей выполненные на теплообменной поверхности V-образные углубления в виде двух расположенных под углом и сопряженных по гладкой поверхности выемок цилиндрической формы со сферическими закруглениями на свободных концах, при этом выемки и поверхность сопряжения расположены симметрично относительно плоскости, перпендикулярной теплообменной поверхности, а поверхность сопряжения расположена ниже по потоку относительно свободных концов выемок. Выемки могут быть сопряжены по сферической поверхности. В частном случае исполнения выемки расположены под углом к поверхности таким образом, что глубина и ширина выемок уменьшается в направлении от свободных концов к поверхности сопряжения. Технический результат - увеличение эффективности теплообменной поверхности. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя, включающая выполненные на теплообменной поверхности V-образные углубления в виде двух сопряженных под углом выемок цилиндрической формы со сферическими закруглениями на свободных концах, отличающаяся тем, что выемки сопряжены по гладкой поверхности, при этом выемки и поверхность сопряжения расположены симметрично относительно плоскости, перпендикулярной теплообменной поверхности, а поверхность сопряжения расположена ниже по потоку относительно свободных концов выемок.

2. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что выемки сопряжены по сферической поверхности.

3. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что выемки расположены под углом к поверхности таким образом, что глубина и ширина выемок уменьшается в направлении от свободных концов к поверхности сопряжения.