Способ интенсификации теплообмена в каналах Советский патент 1992 года по МПК F28F13/10 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в различных теплообменных аппаратах.

Цель изобретения - снижение энергозатрат путем интенсификации теплообмена.

Известно, что теплообмен интенсифицируется под воздействием звуковых колебаний, уровень которых превышает т.н. критический уровень звукового давления, изменяющийся согласно различным известным данным в пределах 140-160 дБ. Однако из-за низких значений КПД излучателей их применение для возбуждения мощных колебаний в теплообменных аппаратах с практической точки зрения является целесообразным вследствие больших энергозатрат.

Известна экспериментальная установка, в которой акустические колебания, интенсифицирующие теплообмен, создаются пульсатором, для которого в качестве привода используется специальный электродвигатель. Недостатком такой конструкции является наличие громоздкого источника, колебаний, размеры которого сравнимы с габаритами самого теплообменника.

Известно устройство для созданий акустических колебаний в теплообменном апXI

4 О О

сл XI

парате с целью интенсификации теплообмена. Недостаток данного устройства состоит в том, что для создания акустических колебаний высокой амплитуды необходимо увеличивать число резонансных полостей, что приводит к возрастанию веса и габаритов устройства а также к увеличению потребного перепада давления на прокачку рабочей среды через данное устройство.

Известен способ интенсификации теплообмена, реализованный в кожухотрубном теплообменнике, заключающийся в том, что в межтрубном пространстве возбуждают звуковые колебания путем продувки теплоносителя через резонансные полости, обра- зованные скрепленными трубными досками, скрепляющими вертикальные трубные пучки. Недостаток данной конструкции состоиут в том, что в ней невоз- можнор созданиео звуковывх колебаний высокого уровня по всей длине межтрубного пространства, что уменьшает интенсификацию теплообмена.

В канале по всей его длине с равномерным шагом устанавливают пластины и возбуждаютавтоколебаниясосверхкритическим уровнем давления путем обдува указанных пластин теплоносителем. Автоколебания возникают на режиме захвата частоты периодического схода вихрей с задних кромок пластин одной из собственных частот колебаний теплоносителя в канале. При возбуждении актоколебаний пространственное распределение амплитуд колебаний давления в области под и над пластинами имеет вид плоских волн, а вверх и вниз по потоку акустическое поле представляет собой поперечную моду с узлом давления на оси канала и с экспоненциально затухающей по длине амплитудой. Такие (нераспространяющиеся) формы колебаний уменьшают потери акустической энергии в канале и тем самым обеспечивают достижение сверхкритических уровней звукового давления (до 176 дБ) по всей длине канала, что приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи а. Формулы для расчета резонансных частот и пространственное распределение амплитуд колебаний давления в зависимости от соотношения между высотой канала и длиной пластины даны, например, в 5.

Используя предлагаемый способ интенсификации с изменением конструктивных параметров теплообменника, при прочих равных условиях можно существенно снизить энергозатраты на прокачку теплоносителя или уменьшить массу теплообменной поверхности. Применительно к двигателям

летательных аппаратов последнее также приводит к снижению энергозатрат.

В качестве конкретного примера для оценки снижения массы m теплообменной поверхности можно воспользоваться соотношением, приведенным в 4, для воздушного одноходового кожухотрубного теплообменного аппарата:

10

m

О)

Ей

где VA p- отношение чисел Эйлера tuo

для канала с интенсификацией Еи и без интенсификации EUO,

NM

VMU -JTJ- - отношение чисел НуссельN

U0

та для канала с интенсификацией (Nu) и без интенсификации (Nuo);

m,.

m - -отношение масс теплообменной поверхности с интенсификацией (т) и без интенсификации (т0).

Значения чисел Нуссельта и Эйлера для каналов без интенсификации определяются расчетом по соотношениям

30О. ( Re-1000) (0.703 4-т

1 -2,

N,

rflef l(1,82lgRI-1,64)-2; ATDO Л х

г- Лтро

tuo - -n

2dr

где 1TPO 0, 0072+

а для канала с интенсификацией - экспериментально. Изображенная на фиг.1 схема

экспериментальной установки состоит из двух каналов 1 и 2 постоянного поперечного сечения, например прямоугольного, разде- леных плоской пластиной 3. Вдоль осей каналов расположены пластины 4, плотно

прилегающие к боковым стенкам каналов. На входе и выходе каналов размещены термопары 5-8 для измерения температур потоков и датчики 9-12 давления. В центре установки размещена термопара 13 для замера температуры пластины 3. На стенке канала 2 установлен датчик 14 пульсаций давления. Все измеряемые сигналы через аналого-цифровые преобразователи 15, 16 вводятся в ЭВМ 17.

Обработка измеряемых параметров основывается на следующих теоретических предпосылках. Система уравнений для описания стационарного течения газа в каналах постоянного сечения с учетом трения имеет вид

коэффициентом теплопередачи К, которые можно выразить, используя (3), в виде;

2dr

Использование: теплотехника, интенсификация теплообмена в химически не реаги- рующих газовых потоках. Сущность изобретения: в каналах 1,2 предварительно устанавливают с равномерным шагом пластины 4. Прием обдува этих пластин 4 возбуждаютавтоколебаниясо сверхкритическим уровнем давления. Автоколебания возникают в режиме захвата частоты периодического схода вихрей с задних кромок пластин одной из собственных частот колебаний теплоносителя в кана- ле. При возбуждении автоколебаний пространственное распределение амплитуд колебаний давления в области под и над пластинами имеет вид плоских волн. Вверх и вниз по потоку акустическое поле представляет собой поперечную моду с узлом давления на оси канала и экспоненциально затухающей по длине амплитудой. 3 ил. (Л С

рu const

.) P)

2dr

dT

dP,

р11Ср -/ Ти И ркон+дтр

где X - продольная координата;

р- плотность теплоносителя;

U - скорость теплоносителя;

Р - давление теплоносителя;

Т - температура теплоносителя;

Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении;

ft- температурный коэффициент объемного расширения;

Атр - коэффициент трения;

dr - гидравлический диаметр;

QKOH - тепло, подводимое к единице объема в единицу времени, через поверхность теплообмена.

ОДР -pu3Sign (u)- в результате работ сил трения.

1 при U} О Sign (u) -1 при U О

Переход от дифференциалов к измеряемым в эксперименте конечным разностям систему (2) для идеального газа можно преобразовать к виду40

Атр Ах ,АТ АР. 1 т3|аплл 2dr Т + Р М2 Я ООД,

QKOH Лх AT ( , f.v 1.,2

ОСЬТН1 + (- W

АР

-тМ -IX

О)

где АХ - длина мерного участка; $- показатель адиабаты;

М - число Маха потока;

А Р и AT - разности давлений и темпе- ратур на входе и выходе мерного участка.

В соответствии с общепринятым подходом гидравлические потери характеризуются числом Эйлера (Ей), а теплообмен Ат

к

G ср Т I 1(1 + (К - 1 ) - (К - 1)м:

(Тг-Тх) Ь

(4

где S - площадь поверхности теплообмена;

G - массовый расход

Тг - средняя температура горячего потока;

Тх - средняя температура холодного потока.

N-

. Kdr Tu-Tx

Лх ТПл - Тх

15)

5

0

5

0

5

5

Из условия равенства теплового потока между горячим и холодным газом и тепловых потоков между теплоносителями и пластиной 3, можно найти связь коэффициента теплопередачи К с коэффициентом теплоотдачи . По найденным значениям коэффициентов теплоотдачи определяются числа Нуссельта для холодного (горячего) потока

где Тпл - температура пластины;

х - коэффициент теплопроводности холодного газа при

Отношения полученных указанными выше способами чисел Нуссельта Nu, NUo и Эйлера Eu, EUO в зависимости от числа Рей- днольдса представлены на фиг.2 и 3. Видно, что применение предлагаемого способа интенсификации теплообмена в диапазоне чисел Re (0,6 - 1) хЮ , соответствующем режимам возбуждения автоколебаний в каналах с пластинами, приводит к существенному увеличению теплоотдачи, характеризующемуся возрастанием чисел Нуссельта в 1,4-2,8 раза, при увеличении гидравлических потерь, определяемых числами Эйлера в 1,5-1,8 раза. Расчет по (1) с использованием представленных на фиг.2 и 3 экспериментальных данных показывает, что в диапазоне чисел Re (0,8-1,0)х10 применение предлагаемого способа интенсификации теплообмена позволяет уменьшить массу теплообменной поверхности в 3,3 раза.

В настоящее время на предприятии проведены экспериментальные исследования предлагаемого способа интенсификации теплообмена в модельном теплообмен- отличающийся тем, что, с целью нике.снижения энергозатрат, предварительно по

Формулаизобретения оси канала с равномерным шагом устанавливают пластины и возбуждают автоколеСпособ интенсификации теплообмена в 5 бания со сверхкритическим давлением каналах путем возбуждения автоколебаний, путем обдува упомянутых пластин.

О

0,2

ОЛ

фие.2

0,6

0,8

1,0 fle-10

rS

О

0.2

ол о,б

фиг.З

0,3

1,0 Яе 10

-S