Теплообменная поверхность Советский патент 1992 года по МПК F28F1/42 

/}апрй8ление потока /т елло//ошл &лв

Использование: теплообменные устройства. Сущность изобретения: теплообмен- ная поверхность 1 содержит элементы шероховатости в виде параллельных выступов 2 и расположенные между ними параллельно выступами 2 канавки 3. Выступы 2 расположены друг от друга на расстоянии S, относящемуся к высоте выступа h 1,5 1,5 S/h 5. Канавки 3 расположены от выступов 2 на расстоянии, равном 1,5 h, и имеют глубину, равную высоте выступа 2. 1 ил. Ё

VI Х|

О

о VI о

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

Известно, что снабжение поверхности теплообмена элементами шероховатости, выполненными в виде выступов, расположенных поперек потока теплоносителя, движущегося вдоль поверхности теплообмена, интенсифицирует теплообмен между потоком теплоносителя и шероховатой поверхностью стенки, являющейся одной из составных, образующих канал, через который перекачивается теплоноситель.

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 вызывает циркуляцию 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, где S - расстояние между соседними элементами шероховатости; h - высота элементов шероховатости.

Как показали опыты, максимальная интенсивность теплообмена, отнесенная к единице шероховатой поверхности, достигается при шероховатости открытого типа, а именно, при S/h 12-14.

Известна теплообменная поверхности с шероховатостью закрытого типа, а именно, теплообменная поверхность, состоящая из гладкой поверхности, снабженной элементами шероховатости, расположенными друг от друга на относительном расстоянии - S/h 0,75-5.

Количество тепла, передаваемого через элемент теплообменной поверхности с определенными размерами и шероховатостью закрытого типа больше, чем тепло, передаваемое через элемент поверхности тех же размеров и с шероховатостью открытого типа. Это объясняется тем, что шероховатость закрытого типа характеризуется меньшим шагом между соседними выступами, чем шероховатость открытого типа и, соответственно, развитая в первом случае теплообменная поверхность, отнесенная к единице длины этой поверхности в направлении потока теплоносителя больше, чем во втором случае.

Следует отметить, что предельная высота элементов шероховатости, дальнейшее

увеличение которой не интенсифицирует теплообмен и ведет лишь к увеличению гидравлического сопротивления, для теплообменной поверхности с шероховатостью как открытого, так закрытого типов, равняется

десятикратной толщине ламинарного подслоя потока теплоносителя на гладкой поверхности при том же значении критерия Рейнольдса потока.

Теплообменнэя поверхность закрытого

типа характеризуется неравномерностью степени интенсификации теплообмена, а именно, минимальная интенсивность теп- лообменна наблюдается в зонах, расположенных от элементов шероховатости

приблизительно на расстоянии 1,5 h, отмеренном от каждого элемента по направлению движения потока теплоносителя.

Это существенно снижает среднюю интенсивность теплообмена по всей шероховатой поверхности теплообмена.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является теплообменная поверхность, содержащая элементы

шероховатости в виде параллельных выступов и расположенные между ними канавки. Недостатком этой теплообменной поверхности является недостаточно высокая интенсивность теплообмена.

Цель изобретения - интенсификация теплообмена,

Поставленная цель достигается тем, что в известной теплообменной поверхности, содержащей элементы шероховатости в ви:

де параллельных выступов и расположенные между ними канавки, - при размещении выступов на расстоянии S, относящемуся к высоте выступы h 1,5 S/h 5, канавки расположены параллельно выступам на расстоянии, равном 1,5 высоты выступа и имеют глубину, равную высоте выступа.

Экспериментальными исследованиями установлено, что выполнение теплообменной поверхности с канавками интенсифицирует теплообмен за счет образования смерчеобразного вихря, восходящего от углублений, например, канавок. При этом как степень интенсификации теплообмена, так и оптимальное соотношение глубины

канавок к расстоянию между ними, т.е. безразмерный параметр , где д - глубина канавок, являются величинами того же порядка, что и для теплообменной поверхности с элементами шероховатости, выполненными в виде выступов. Канавки на 50% увеличивают теплообмен по сравнению с гладкой поверхностью.

Из вышеизложенного следует, что выполнение шероховатой теплообменной поверхности с канавками, расположенными параллельно элементам шероховатости на расстоянии от них I 1,5 п, где I - расстояние, отмеренное от каждого элемента шероховатости до соседней канавки по направлению движения потока теплоносителя, обеспечивает интенсификацию теплообмена за счет совместного воздействия на теплообмен двух эффектов - производимого элементами шероховатости в виде высту- пов, расположенных друг от друга на относительном расстоянии S/h 0,75-5 и канавками, выполненными на шероховатой теплообменной поверхности и расположенными параллельно выступам в одноименных точках теплообменной поверхности так, что для них тоже безразмерный параметр 0,75-5, где д - глубина канавок. Таким образом, наличие выступов и канавок с заданной геометрией обеспечивает двойную интенсификацию теплообмена, вызываемую выступами и канавками.

Канавки, выполненные в зонах с минимальной интенсивностью теплообмена, обеспечивают рост интенсивности локального теплообмена в этих зонах и, тем самым, - повышение интенсивности теплообмена в целом по всей теплообменной поверхности за счет увеличения среднего значения коэффициента теплоотдачи. Выполнение канавок между элементами шероховатости, в зависимости от конфигурации профиля канавок, примерно на 60- 80% увеличивает поверхность теплообмена и, соответственно, увеличивает количество тепла, передаваемого от теплообменной поверхности к теплоносителю, или наоборот. То же самое достигается и за счет уменьшения средней толщины стенки с канавками в сравнении со стенкой без канавок. В местах размещения канавок, где толщина стенки минимальна, минимально и термическое сопротивление стенки, что обуславливает повышение температуры теплообменной поверхности в указанных местах и, соответственно, увеличение количества тепла, передаваемого через стенку в этих местах.

На чертеже изображена предлагаемая теплообменная поверхность 1, продольный разрез.

Описываемая теплообменная поверхность 1 содержит поперечные (относительно потока теплоносителя) элементы

шероховатости, выполненные в виде выступов 2, а также канавки 3, расположенные параллельно выступам 2. При этом выступы 2 расположены друг от друга на относитель- ном расстоянии S/h 0,75-5. где S - шаг между выступами 2, a h - высота выступов 2, Геометрия канавок 3 такова, что для них, так же, как и для выступов 2, S/ д 0,75-5, где д - глубина канавок 3. Расстояние между каждым из выступов 2 и соседней канавкой 3, отмеренное по направлению движения теплоносителя. I 1,5h.

Создание элементов шероховатости в виде выступов 2, как правило, осуществляется путем намотки проволоки на токарном станке. Такой способ создания искусственной шероховатости особенно упрощает тех- нологию изготовления предлагаемой теплообменной поверхности 1, когда последняя имеет цилиндрическую форму, наиболее распространенную на практике, например, в кожухотрубных теплообменниках. Способы создания искусственной шероховатости с помощью проволоки нашли

широкое применение на практике и освоено их серийное применение в промышленности.

Предложенная теплообменная поверхность 1 работает следующим образом.

При омывании теплообменной поверхности 1 потоком теплоносителя происходит циркуляция пристенного слоя теллоносите- ля в промежутках между выступами 2, что приводит к частичному разрушению пристенного слоя теплоносителя, так называемого ламинарного или вязкого подслоя. Частичное разрушение пристенного слоя снижает его термическое сопротивление, являющееся основным в потоке теплоносителя и, соответственно, интенсифицирует теплообмен между поверхностью 1 и потоком теплоносителя. В канавках 3, расположенных параллельно выступам 2 в зонах, где интенсивность теплообмена

минимальна, а именно в зонах, расположенных от выступов 2 приблизительно на расстоянии 1,5h, отмеренном от каждого выступа 2 по направлению движения потока теплоносителя, образуется смерчеобразный 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. Предлагаемая теплообменная поверхность 1 с заданными шириной и соотношением S/h 0,75-5, отнесенная к единице длины этой поверхности, и количество тепла, передаваемого через эту поверхность, соответственно больше, чем поверхность с теми же габаритными размерами с S/h 12-14, при котором достигается максимальная интенсивность теплообмена на единицу поверхности, и количество тепла, передаваемого через эту поверхность. Выполнение канавок еще больше увеличивает теплообменную поверхность (примерно на 40-60% по сравнению с поверхностью, характеризующейся параметров S/h - 12-14). отнесенную к единице длины этой поверхности и, соответственно, количество тепла, передаваемого через эту поверхность. На основании вышеизложенного заключаем, что применение предлагаемой поверхности в теплообменном аппарате при заданной теплопроизводительности и энергии, затрачиваемой на прокачку теплоносителя, обеспечивает компактность за счет уменьшения габаритных размеров аппарата. С другой стороны, при неизменных габаритных размерах теплообменного аппарата и энергии, затрачиваемой на прокачку теплоносителя, обеспечивается увеличение теплопроизводительности аппарата. Однако удельная металлоемкость предлагаемой теплообменной поверхности несколько больше, чем у поверхности с S/h 12-14.

Кроме того, очистка предлагаемой поверхности несколько затруднена из-за относительно короткого шага между выступами. Здесь же Следует отметить и то. что применекие предлагаемой поверхности в теплообменнике, помимо улучшения теплотехнических характеристик, обеспечивает улучшение эксплуатационных условий теплообменника за счет уменьшения интенсивности образования отложений на теплообменной поверхности вследствие возросшей турбулизации пристенного слоя потока теплоносителя.

Формула изобретения Теплообменная поверхность, содержащая элементы шероховатости в виде параллельных выступов и расположенные между ними канавки, отличающаяся тем, что, с целью интенсификации теплообмена при размещении выступов на расстоянии S, относящемуся к высоте выступа h 1,5 SS/h 5. канавки расположены параллельно выступам на расстоянии, равном 1,5 высоты выступа, и имеют глубину, равную высоте выступа.