Поверхность теплообмена Советский патент 1992 года по МПК F28F1/24 

Изобретение относится к теплообмен- ным устройствам, в частности к поверхностям теплообмена, образующим плоские или трубчатые каналы с прямоугольным, круглым, кольцевым или иным поперечным сечением.

Известна поверхность теплообмена, снабженная элементами шероховатости, выполненными в виде выступов, расположенных поперек потока теплоносителя, движущегося вдоль поверхности теплообмена и интенсифицирующих теплообмен между потоком и шероховатой поверхностью, которая является составной частью канала, через который движется теплоноситель. Максимальная интенсивность теплообмена

S/h 12-14,

где S - расстояние между соседними элементами шероховатости,

h - высота элементов шероховатости.

Следует отметить, что при этом оптимальная относительная высота элементов шероховатости, т.е. предельная высота, дальнейшее увеличение которой не интенсифицирует теплообмен и ведет лишь к увеличению гидравлического сопротивления, равняется десятикратной толщине ламинарного подслоя потока теплоносителя на гладкой поверхности теплообмена при том же значении критерию Рейнольдса потока.

Различают шероховатость двух основных типов - так называемого открытого и закрытого. Шероховатость открытого типа вызывает срыв пристенного слоя теплоносителя с элементов шероховатости, его диффундирование в направлении поверхности теплообмена, а затем присоединение к основному потоку теплоносителя. Шероховатость закрытого типа приводит к циркуляции пристенного слоя теплоносителя в промежутках между элементами шероховатости без срыва пристенного слоя теплоносителя и его присоединения к основному потоку теплоносителя.

Шероховатость открытого типа образуется при S/h : 5, а закрытого - при S/h 5.

Наиболее близкой к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является поверхность теплообмена, содержащая элементы шероховатости в виде параллельных выстуVI VI

О

о

ON 00

пов, расположенных друг относительно друга на расстоянии, равном 12-14 их высоты, между которыми размещены дополнительные турбулизаторы. Однако, как показали экспериментальные исследования, геометрия открытой шероховатости, обеспечивающая максимальную интенсификацию теплообмена (S/h 12-14), характеризуется неравномерностью степени интенсификации теплообмена между элементами шероховатости, а именно, минимальная интенсивность теплообмена наблюдается в зонах, расположенных от элементов шероховатости приблизительно на расстоянии 10 h, отмеренном от каждого элемента по направлению движения потока теплоносителя. Снабжение шероховатой поверхности, обеспечивающей максимальный теплообмен, т.е. поверхности теплообмена с шероховатостью открытого типа и оптимальным безразмерным параметром S/h 12-14, дополнительными элементами шероховатости в виде выступов, размещенных в зонах с минимальной интенсивностью теплообмена, изменяет оптимальный параметр S/h 12-14 и, тем самым, привело бы к резкому снижению средней интенсивности теплообмена. На основании экспериментальных исследований установлено, что выполнение поверхности теплообмена с канавками интенсифицирует теплообмен за счет образования смерчеобразного вихря, восходящего от углублений (канавок). При этом как степень интенсификации теплообмена, так и оптимальное соотношение глубины канавок к расстоянию между ними, т.е. безразмерный параметр , - глубина канавок, являются величинами того же порядка, что и для поверхности теплообмена с элементами шероховатости, выполненными в виде выступов. Канавки такой геометрии на 50% увеличивают теплообмен по сравнению с гладкой поверхностью без канавок. Недостатком поверхности теплообмена, содержащей элементы шероховатости в виде параллельных выступов, расположенных друг относительно друга на расстоянии, равном 12-14 их высоты, между которыми размещены дополнительные турбулизаторы, является недостаточно высокая интенсивность теплообмена.

Цель изобретения - интенсификация теплообмена.

Поставленная цель достигается тем, что известная поверхность теплообмена, содержащая элементы шероховатости в виде параллельных выступов, расположенных друг относительно друга на расстоянии, равном 12-14 их высоты, между которыми размещены дополнительные турбулизаторы, - дополнительные турбулизаторы выполнены в виде канавок, расположенных параллельно выступам на расстоянии, равном 10 высоты выступа. Выполнение турбулизаторов в виде канавок, расположенных параллельно выступам на расстоянии, равном 10 высоты выступа, обеспечивает интенсификацию теплообмена за счет совместного воздействия на теплообмен

двух эффектов - производимого элементами шероховатости в виде параллельных выступов и канавок. Канавки, выполненные в зонах с минимальной интенсивностью теплообмена, обеспечивают рост интенсивности локального теплообмена в этих зонах и, тем самым, - повышение теплообмена в целом по всей поверхности за счет увеличения среднего значения коэффициента теплоотдачи. Выполнение канавок между

выступами примерно на 20% увеличивает поверхность теплообмена и, соответственно, - количество тепла, передаваемого от поверхности теплообмена к теплоносителю, или наоборот. То же самое достигается и за

счет уменьшения средней толщины стенки с канавками в сравнении со стенкой без канавок. Канавки уменьшают среднюю толщину стенки и, соответственно, снижают ее термическое сопротивление, обуславливая

повышение температуры поверхности теплоотдачи и тем самым, соответственно увеличивают количество тепла, передаваемого через стенку.

На чертеже изображена предлагаемая

поверхность 1 теплообмена, продольный разрез.

Поверхность 1 теплообмена содержит поперечные (относительно потока теплоносителя) элементы шероховатости в виде параллельных выступов 2 и канавки 3, расположенные параллельно выступам 2. Выступы 2 расположены друг от друга на относительном расстоянии - S/h 12-14, где S- шаг между выступами 2, a h - высота

выступов 2, Канавки 3 расположены в одноименных точках поверхности 1 теплообмена так, что для них, так же как и для выступов

2,безразмерный параметр - 12-14, где 6 - глубина канавок. Расстояние между

каждым из выступов 2 и соседней канавкой

3,отмеренное по направлению движения потока теплоносителя, омывающего поверхность 1,- I 10h.

Предложенная поверхность 1 теплооб- мена работает следующим образом.

При смывании поверхности 1 теплообмена потоком теплоносителя происходит срыв пристенного слоя теплоносителя с выступов 2 и его диффундирование в направлении поверхности 1 теплообмена. Происходящее таким образом разрушение пристенного слоя теплоносителя, так называемого ламинарного или вязкого подслоя, уменьшает термическое сопротивление, оказываемое этим слоем теплообмену между поверхностью 1 и теплоносителем, которое, как известно, является основным термическим сопротивлением во всем потоке и. следовательно, интенсифицирует теп- лообмен между поверхностью 1 и потоком теплоносителя. При этом степень интенсификации теплообмена в зонах между выступом 2 не одинакова. В частности, минимальная интенсивность теплообмена имеет место на расстоянии I 10h от каждого выступа 2, где I - расстояние, отмеренное от каждого выступа 2 по направлению движения потока теплоносителя, ah- высота выступов 2. В канавках 3, размещенных в указанных местах, образуется смерчеоб- разный вихрь, направленный вверх по нормали поверхности 1 в потоке теплоносителя, что приводит к интенсивному перемешиванию потока и, тем самым, увеличению теплообмена между поверхностью 1 и потоком теплоносителя. Применение предлагаемой поверхности теплообменных аппаратах обеспечивает сокращение требуемой поверхности теплообмена при задан- ной теплопроизводительности и энергии, затрачиваемой на прокачку теплоносителя и, соответственно, уменьшению габаритов и металлоемкости теплообменного оборудования. С другой стороны, при неизмен- ной поверхности теплообмена и энергии,

затраченной на прокачку теплоносителя, увеличивается теплопроизводительность аппарата. Наконец, при неизменной поверхности теплообмена и теплопроиэводитель- ности аппарата снижается энергия на прокачку теплоносителя. Следует отметить и то, что применение предлагаемой поверхности теплообмена в теплообменниках помимо улучшения теплогидродина- мических характеристик теплообменников обеспечивает улучшение эксплуатационных условий за счет уменьшения интенсивности образования отложений на поверхности теплообмена вследствие возросшей турбу- лизации пристенного слоя потока теплоносителя.

При этом технология выполнения канавок намного проще и надежнее, чем дополнительных выступов, высота которых примерно в 10 раз меньше высоты основных выступов и поэтому образование даже тонкого слоя отложений неминуемо приводит к полной потери их турбулизирующего эффекта.

Формула изобретения Поверхность теплообмена, содержащая элементы шероховатости в виде параллельных выступов, расположенных друг относительно друга на расстоянии, равном 12-14 их высоты, между которыми размещены дополнительные турбулизаторы, отличающаяся тем, что. с целью интенсификации теплообмена, дополнительные турбулизаторы выполнены в виде канавок, расположенных параллельно выступами на расстоянии, равном 10 высоты выступа.

Использование: теплообменные устройства. Сущность изобретения: поверхность теплообмена 1 содержит элементы шероховатости в виде параллельных выступов 2, расположенных друг относительно друга на расстоянии, равном 10 их высоты. 1 ил.

НопраВление потока теплоносителя

I ъЮЬ

S :7J/7