Способ охлаждения поверхности путем струйного теплообмена и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК F27D9/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к интенсификации теплообмена на горячих поверхностях преимущественно при охлаждении промышленных печей.

Целью изобретения является повышение интенсивности и равномерности теплообмена.

Поставленная цель достигается тем, что в способе струйного теплообмена на повер- . хности, включающем струйную подачу теплоносителя и отведение потоков, . исключается перемещение потоков теплоносителя вдоль теплообменной поверхности за пределами зоны действия каждой струи. Это достигается путем создания автономных зон подачи каждой струи тепло- обменного потока, а отраженные от теплообменной поверхности части этих струй удаляют со стороны истечения струй в точках пересечения биссектрис углов равносторонних треугольников, вершинами которых являются точки пересечения продольных осей струй с поверхностью устья струй, а длина каждой из сторон этих треугольников L :Ј D, где D - диаметр раскрытия струи ка теплообменной поверхности. При этом струи теплообменгого потока

подают на поверхность так, что их продольные оси расположены по нормали к этой поверхности.

Сущность изобретения заключается в том, что именно при смыкании трех круговых зон воздействия смежных струй на теп- лообменной поверхности образуется наименьший участок неохвата, т.е. теневой, в центре которого, по кратчайшему пути со стороны истечения струй удаляют 1/6 часть отраженных потоков каждой из трех примыкающих струй, Такое взаиморасположение образует не только наименьшие теневые участки, но и предотвращает искажение зоны воздействия каждой струи на теплообменной поверхности, что способствует повышению интенсивности и равномерности теплообмена на поверхности. При этом неравномерность теплообмена возможна лишь в незначительных теневых участках, образованных смежными струями. Характерно, что во всех теневых участках между примыкающими круговыми зонами воздействия смежных струй возникает пониженное давление с уменьшением его по направлению удаления от теплообменной поверхности. При этом отраженные потоки теплоносителя возле поверхности образуют сносяще-восходящие потоки, тем самым предотвращают условия образования устойчивого пограничного слоя. В пределах же зоны действия каждой струи на теплообменной поверхности происходит интенсивное вымывание с заменой одних потоков другими. Этому способствует и возникающий перепад давлений вне зоны действия струй на теплообменной поверхности в местах удаления отраженных потоков со стороны истечения струй.

В предложенном решении при нормальном воздействии и указанном взаиморасположении струй практически исключаются необдуваемые струями участки на поверхности, на которой исключается горизонтальное движение потоков, вдоль поверхности являющихся основной причиной образования пограничного слоя. Все это способствует резкому возрастанию интенсивности теплообмена и исключает его неравномерность. Таким образом, предложенный способ предотвращает условия образования традиционно рассматриваемого пограничного слоя возле поверхности, обеспечивает сплошное струйное воздействие на поверхность при одновременном рациональном удалении отраженных без перемешивания струйных потоков, что обеспечивает ему значительно большую интенсивность и равномерность теплообмена, чём в способе по прототипу.

Что касается возможного уменьшения указанной стороны треугольника, то при других неизменных тепловых и режимных условиях теплообмена происходит исчезновение теневых участков на теплообменной поверхности с одновременным возникновением участков совместного воздействия смежных струй. Это положительно вызывает возрастание теплообмена, однако

сопряжено с дополнительными затратами для обеспечения большего количества струйных течений, приходящихся на единицу теплообменной поверхности. Целесообразность такого варианта интенсификации

5 струйного теплообмена должна определяться в каждом конкретном случае на основе соотношения получаемого эффекта и сопутствующих при этом затрат.

Характерным достоинством способа яв0 ляется то, что он позволяет осуществлять требуемый теплообмен на локальных участках поверхности с дискретной теплонапря- женностью путем соответствующего изменения удельного расхода теплоносите5 ля, прежде всего за счет простого изменения размеров приточно-вытяжных отверстий в устройствах для охлаждения поверхностей теплоисточников с практически любой конфигурацией.

0 Поставленная цель также достигается тем, что устройство для струйного теплообмена на поверхности, состоящее из тепло- обменной поверхности, заключенной в кожух с каналами отвода потоков входными

5 и выходными отверстиями, между которыми и поверхностью расположена перфорированная пластина, снабжено дополнительной перфорированной пластиной, установленной между основной перфориро0 ванной пластиной и теплообменной поверхностью. Ее перфорация выполнена так, что часть отверстий перфорации выполнена аналогичной отверстиям перфорации основной пластины и отверстия соединены с

5 отверстиями основной пластины посредством цилиндрических вставок. Сами вставки расположены так, что центральная продольная ось перпендикулярна теплообменной поверхности, а остальные отверстия перфо0 рации дополнительной пластины расположены в точках пересечения биссектрис равносторонних треугольников в плоскости пластины, образованных путем соединения точек пересечения продольных централь5 ных осей смежных цилиндрических вставок с дополнительной перфорированной пластиной.

При этом дополнительная и основная перфорированная пластины расположены между собой так, что со стороны входного

отверстия они соединены по линии пересечения. Особенностью взаиморасположения дополнительной и основной перфорированных пластин является то, что между ними образовывается канал для удаления отраженных потоков теплообмсннои поверхности. Указанная взаимосвязь обеспечивает поступление охлаждающею геппоносителя для струйного воздействия на теплообмен- ную поперхность через цилиндрические вставки между основной и перфорированной пластинами, Такое устройство, вообще; исключающее внешнюю изоляцию, позволяет равномерно осущестоля гь струйное охлаждение теплоисточников с различной теплонаиряженностью ею участков.

На фиг.1 представлен поперечный разрез устройства, на фиг.2 - продольный с условным местными огрыпом дня наглядности, на фиг.З - продольный разрез по сечению А--Л на фиг.1, на фиг. - узел I па фиг.2 (дополнительная пластина с отражением потоков струйного иоздеистоич и их зоны теплообмениой поверхности), па фиг.5 - разрез Б-5 с отражением эпюры скоростей струйных и отраженных потоков между теп- лообменной поверхностью и дополнительной пластиной.

Устройство состоит из теплообмонной поверхности печи 1 и кожуха 2, между которыми от ого отверстия 3 до выходного 4 распо/ с а перфорированная пластина 5. Между ; 1охног 1мо печи 1 и перфорированной г) установлена дополнительная ,j -| данная пластина G. Част;, перфораций 0 дополнительной пла- сппг G выполнена смалогиччо игр } прзции 8 пластины 5, преимущественно крупой, так, чго эти отверстия соединены с отверстиями основной пластины погредст- пом цилиндрических вставок 7 UUHтраль- ка я продольная ось пстайки 7 перпендикулярна теплообмсином поверхности, а остальные перфорации дополнительной пластины G расположены в точках пересечения биссектрис равносьс нрих треугольников в плоскости гм п-си 6, образованных путем соединим i TOTI перо- (..ечеиня продольных огл И смежных цилиндрических вставок 7 с. допилнитель- ной перфорироианпой пластиной 6 Причем дополнительная перфорированная гыас-и- на G соединена со стороны входною отверстия 3 с оснопнои пластиной 5. Наличие дополнительной пластины и о азашюй взаимосвязи с другими элементами позоо- ляет образорлн. внешний канал между ко- жучом 2 и пластиной Б.

Работа усфойсюа заключается в следующем, реализуя заявленный способ.

После входного отверстия 3 теплоноситель поступает в канал между кожухом 2 и перфорированной пластиной 5. После равномерного распределения охлаждающего 5 теплоносителя между всеми цилиндрическими вставками 7, проходя через которые в виде струй, он нормально воздействует на теплообменную поверхность печи 1 Отраженные потоки каждой струи без продол ь- ,0 ною перемещения вдоль теплообменной поверхности печи кратчайшим путем удаляются через те перфорации 9 в пластине 6, которые соединены с каналом, образованным основной 5 и дополнительной пласти5 нами. Двигаясь по этому расширяющемуся

каналу р направлении выходною отверстия

5 теплоноситель поступает к воздуховоду

равномерт.йго отбора 10 по длине печи.

Во внешнем kcTuine (jair.3) воздух по0 путно .с кух 2, а пгг,м после струнного воздействия на попирлность удаляется по кана iy пожду пластинами 5 и О. Динамика потоков струйного воздействия поело прохождения цилиндрических вста5 вок 7 в плане на юплсоОмсниой поверхности под пластиной 0 отражено на фиг.4 В виде кругов отражены примыкаюии е зоны струйною воздгйствт на ггплообменную пооег носгь Г рм иышоуказаппом пзапмо0 распо.ю ении ц 1/;индрических сстзвок вытяжные отверстия 9 в пластине G могут быть различной Форм1 , даже треугольной со сто- pomvn н t H/K1 члотични/ дуг, окр., -аЮ|Цих OTtie;;cii e -1 на фи 1

5X ip, I i рнсй ocoCeiiHOCTi ю сеолизации

пред ложечного сп ого б л в 1, с т роист ее струйного ТРИ обмена чп тготся относительно упор- дочепнаи динамика потоков по нормали к поверхности.

01 эобрл ечныо на чертеже эпюры скоростпи струйных и отраженных потоков ука- зип 1 ог чл возможность интенсификации пруд то снного способа теплообмена за not ышения скорости истечения тепло5 носигели, гни-кении рэссголния от пластины 1} ,с- поверхности температурного напсрп и праоип М1,;м выбором площадей

, (НИХ И РЫТЯХПЬ Х ОТВСрС ИЙ В ППЭСТИне П Удн JOMHH псд01рсть й до ке- 0 г «с, . температуры в зависимости от уделг нею расхода поступаот к вентилятору 11 ,1,1 ког1м/нольно бытовых либо тохноло- гичссш нужд соответствующих теплопот- ребл i )щих систем. Характерной 5 особснм четью воздействия на теплообменную norjpAHCCii предложенным устройством яоь н тгч размещен :с вентилятора позгс voro J либо вилодного отверстия. Пггч;лз1земый способ струйного тепло- o6Mi нз ссит.иуэтся о теплообмен юм устроистое, изображенном на чертеже фиг.1,2,3,4 следующим образом.

Струйную подачу теплоносителя осуществляют по равносторонней треугольной схеме сетки размещения осей истекающих струй, при нормальном их набегании на теп- лообменную поверхность. Удаление отраженных потоков от теплообменной поверхности осуществляют со стороны истечения струй о центре каждого треугольника. При этом образуется струйное смывание теплообменной поверхности без взаимопе- ремешиванил и перемещения отраженных потоков смежных струй вдоль теплообменной поверхности с последующим кратчайшим путем удаления их из процесса теплообмена.

При этом повышение теплообмена достигается как за счет большей интенсивности струйного смывания поверхности в каждой зоне без взаимовлияния смежных струй, так и за счет образования минимальных размеров участков теневых зон.

Технико-экономическая эффективность способа и устройства заключается в том, что в осуществлении той же величины теплообмена на поверхности по предлагаемому способу и устройству требуется на 32-44% удельного расхода теплоносителя меньше, чем по прототипу.

Это приводит к уменьшению материалоемкости теплообменных устройств, выполненных на основе предложенного способа. Кроме того, обеспечение равномерности теплообмена на поверхности позволяет выполнять устройство единим, а не из нескольких блоков с соответствующей их обвязкой.

Формула изобретения 1.Способ охлаждения поверхности путем струйного теплообмена, включающий подачу на теплообмеипую поверхность вращающейся печи потока теплоносителя струями, отличающийся тем, что, с целью

повышения интенсивности и равномерно сти теплообмена, создают автономные зоны подачи каждой струи теплообменного потока, а отраженные от теплообменной поверхности части этих струй удаляют в точках пересечения биссектрис углов равносторонних треугольников, вершинами которых являются точки пересечения продольных осей струй с поверхностью устья струй, а

длина каждой из сторон этих треугольников L D, где D - диаметр раскрытия струи на теплообменной поверхности, при этом струи теплообменного потока подают на теплообменную поверхность так, что их продольные оси расположены по нормали к этой поверхности.

2.Устройство для охлаждения поверхности печи путем струйного теплообмена, содержащее охватывающий вращающуюся

печь кожух с входным и выходным отверстиями и расположенную между печью и кожухом с зазором перфорированную пластину, отличающееся тем. что, с целью повышения интенсивности и равномерности теплообмена, оно снабжено дополнительной перфорированной пластиной, установленной концентрично печи между ней и основной перфорированной пластиной, при этом часть отверстий дополнительной перфорированной пластины выполнена аналогично отверстиям основной пластины, указанные отверстия пластины соединены между собой посредством цилиндрических вставок, продольная ось которых перпендикулярна теплообменной поверхности печи, а остальные отверстия дополнительной пластины выполнены в точках пересечения биссектрис равносторонних треугольников в плоскости пластины, образованных соедипением точек пересечения продольных осей смежных цилиндрических вставок с дополнительной перфорированной пластиной, причем основная и дополнительная перфорированные пластины соединены между собой со стороны входного отверстия.

А

LR

7/7

Использование: в области теплоэнергетики, для интенсификации теплообмена на горячих поверхностях, преимущественно при охлаждении промышленных печей. Сущность изобретения: способ струйного теплообмена на поверхности, преимущественно при охлаждении, заключается в подаче на теплообменную поверхность струями потока с последующим отвердением его. При этом создают автономные зоны подачи каждой струи теплообменного потока, а отраженные от теплообменной поверхности части этих струй удаляют со стороны их истечения в точках пересечения биссектрис углов равносторонних треугольников, вершинами которых являются точки пересечения продольных осей струй с поверхностью устья струй, длина L каждой из сторон треугольников L D, где D - диаметр раскрытия струи теплообменной поверхности, при этом струи теплообменного потока подают на теплообменную поверхность так, что их продольные оси расположены по нормали к этой поверхности. 2 с.п.ф., 5 ил. (Л С

ФигЛ

Фиг. I

I

W

х;а

ffi Ъ

А - I о

Фиг. 4

1823920

А-А

Фиг.З

8

в-е

.

I

/-t..

7

Фаг. 5