ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменникам, конкретно к теплообменникам со средствами для увеличения теплообмена, и предназначена для применения в теплообменной аппаратуре транспортных средств.
B
Известен теплообменник типа «труба в трубе» (патент на полезную модель №81301, F28D 1/04), содержащий две трубы, расположенные концентрически с зазором между ними, внутренняя труба снабжена канавками, выполненными на ее наружной поверхности в виде растянутой спирали с углом β по отношению к оси трубы, наружный диаметр внутренней трубы D выбирают равным 8-26 мм, угол β выбирают равным 10-20°, глубину канавок Н выбирают равной 0,3-1 мм, канавки имеют D-образный профиль, а источник тепла расположен снаружи внешней трубы.
Недостатками данной конструкции являются сложность изготовления и недостаточная надежность из-за сложности очистки от отложений, образующихся в процессе эксплуатации, а также малые пределы регулирования расхода теплоносителя в кольцевом канале вследствие образования турбулентных вихрей.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Теплообменник» (патент на полезную модель №58683, МПК F28F 1/14, опубл. 27.11.2006 г.), содержащий трубку для подачи теплоносителя к теплоотводящей поверхности, внутри которой имеется не менее двух пар ребер жесткости, средства крепления, теплоотводящие радиаторы с цилиндрическим основанием, выполненные в виде соединенных радиальными пластинами плоских полуколец, не менее двух пар, с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру трубки, прижатых к поверхности трубки упругими скобами; при этом теплоотводящие радиаторы размещены таким образом, что середина одной пары полуколец проходит через плоскость, в которой размещена одна пара ребер жесткости трубки, причем количество теплоотводящих радиаторов определяется длиной трубки для подачи теплоносителя.
Недостатком данной конструкции является низкая эффективность теплосъема вследствие ограниченной площади теплоотдающей поверхности радиальных пластин при внешнем обтекании их потоком внешней среды.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является интенсификация теплообмена при сохранении надежности теплового контакта между теплоотводящими радиаторами и трубкой для подачи теплоносителя.
Решение указанной задачи достигнуто в теплообменнике, содержащем трубку для подачи теплоносителя к теплоотводящей поверхности, внутри которой имеется не менее двух пар ребер жесткости, средства крепления, размещенные на этой трубке с определенным шагом, теплоотводящие радиаторы с цилиндрическим основанием, выполненные в виде соединенных радиальными пластинами плоских полуколец, не менее двух пар, с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру трубки, прижатых к поверхности трубки упругими скобами так. что ребра радиальных пластин расположены под углом к оси трубки для подачи теплоносителя и образуют винтовые поверхности.
Угол наклона радиальных пластин может быть выбран в диапазоне от 15° до 45°. Внешний диаметр теплоотводящих радиаторов может быть выбран в диапазоне от 1,5 до 3,5 внешнего диаметра трубки для подачи теплоносителя. Теплоотводящие радиаторы могут быть установлены с равномерным шагом. Шаг установки теплоотводящих радиаторов может быть выбран из диапазона от 1,5 до 2,5 от ширины теплоотводящего радиатора. Теплоотводящие радиаторы могут быть установлены с переменным шагом.
На внешней поверхности теплоотводящих радиаторов могут быть выполнены внешние ребра. Внешние ребра могут быть выполнены как продолжение радиальных пластин. Трубка для подачи теплоносителя может быть выполнена из стали. Теплоотводящие радиаторы могут быть выполнены из материала с высокой удельной теплопроводностью. Теплоотводящие радиаторы могут быть выполнены из алюминиевого сплава.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах фиг. 1…10, где:
- на фиг. 1 приведен теплообменник в сборе,
- на фиг. 2 приведен вид сбоку,
- на фиг. 3 приведена пара радиаторов,
- на фиг. 4 приведен внешний вид пары радиаторов,
- на фиг. 5 приведен теплообменник с радиаторами без внешних ребер,
- на фиг. 6 приведен теплообменник с радиаторами, установленными с переменным шагом,
- на фиг. 7 приведена схема установки радиальных пластин под углом γ к оси теплообменника.
- на фиг. 8 приведена расчетная схема для определения зависимости площади радиальных пластин от угла их установки γ,
- на фиг. 9 приведены графики изменения площади теплообмена и аэродинамических потерь в зависимости от угла установки радиальных пластин,
- на фиг. 10 приведен внешний вид теплообменника.
Предложенный теплообменник (фиг. 1…10) содержит трубку для подачи теплоносителя 1 с внутренними ребрами жесткости 2 (фиг. 2) в количестве не менее двух пар, которые расположены в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.
На внешней поверхности 3 трубки для подачи теплоносителя 1 установлены попарно с определенным шагом между парами теплоотводящие радиаторы 4 (фиг. 1 и 2).
Теплообмен между теплоносителем и окружающей средой, происходит через разделяющую их твердую стенку или через поверхность раздела между ними.
Теплообмен включает в себя теплоотдачу от более горячего теплоносителя к стенке, теплопроводность в стенке, теплоотдачу от стенки к более холодной внешней среде. Интенсивность передачи теплоты при теплообмене характеризуется коэффициентом теплопередачи k, численно равным количеству теплоты, которое передается через единицу площади поверхности стенки в единице времени при разности температур между теплоносителями в 1 К.
Коэффициент k зависит от температурного напора и теплового потока через элемент теплопередающей поверхности раздела:
Величина R=1/k называется полным термическим сопротивлением теплообмена. Например, для однослойной стенки
1
2
где α и α - коэфф. теплоотдачи от горячей жидкости к поверхности стенки и от поверхности стенки к внешней среде; δ - толщина стенки; λ - коэффициент теплопроводности. В большинстве встречающихся на практике случаев k определяется опытным путем.
1
В нашем случае коэффициент теплоотдачи α достаточно велик, так как у жидкостей он обычно на порядок больше, чем у газов (в качестве внешней среды наиболее вероятно будет использоваться воздух).
2
Ограничивать теплопередачу будет коэффициент теплоотдачи α, поэтому необходимы меры по интенсификации теплоотдачи во внешнюю среду, т.е. применение эффективных теплоотводящих радиаторов 4 (фиг. 1 и 2).
При расположении теплоотводящих радиаторов 4 без осевого зазора между ними, теплоотдача от трубки для подачи теплоносителя 1 к внешней среде будет уменьшаться по мере продвижения внешней среды вдоль трубки для подачи теплоносителя 1 из-за уменьшения температурного напора. Для устранения этого недостатка и турбулизации потока внешней среды теплоотводящие радиаторы 4 размещают с осевым зазором между ними (фиг. 1). Очевидно, существует оптимальное значение осевого зазора между парами теплоотводящих радиаторов 4, т.е оптимальный шаг расположения пар теплоотводящих радиаторов 4, что будет доказано далее.
1
2
Теплоотводящие радиаторы 4 (фиг. 1 и 2) выполнены в виде соединенных радиальными пластинами 5 внутреннего и внешнего полуколец, соответственно 6 и 7. Внутренний радиус внутреннего кольца 6 - R равен внешнему радиусу R (фиг. 3) трубки для подачи теплоносителя 1. Радиальные пластины 5 установлены под углом γ к радиальной плоскости, проходящей через ось трубки для подачи теплоносителя 1 (фиг. 7).
На фиг. 2 изображен теплообменник в сборе с теплоотводящими радиаторами 4, прижимаемыми к внешней поверхности 3 трубки для подачи теплоносителя 1 попарно с помощью упругих скоб 8, выполненных Ω-образной формы для создания прижимного усилия и снижения термического сопротивления в контакте.
Теплоотводящие радиаторы 4 могут быть размещены таким образом (фиг. 2 и 3), что середина одной пары полуколец 6 и 7 проходит через плоскость, в которой размещена одна пара ребер жесткости 2 трубки для подачи теплоносителя 1.
Теплоотводящие радиаторы 4 могут быть выполнены без внешних ребер (фиг. 5). На внешней поверхности теплоотводящих радиаторов 4 могут быть выполнены внешние ребра 9 (фиг. 3 и 4). Внешние ребра 9 могут быть выполнены как продолжение радиальных пластин 5, т.е. также установлены под углом γ и выполнены заодно с ними и с внутренними и внешними полукольцами 6 и 7.
Внешний диаметр D теплоотводящих радиаторов 4 может быть выбран в диапазоне от 1,5 до 3,5 внешнего диаметра трубки для подачи теплоносителя 1 (фиг. 7):
D=(1,5…3,5) d,
где: D - внешний диаметр теплоотводящих радиаторов 4,
d - внешний диаметр трубки подачи теплоносителя 1.
При меньших соотношениях теплоотводящие радиаторы 4 практически не работают, но и при соотношении более 3,5 внешняя часть теплоотводящих радиаторов 4 практически перестает отводить тепло из-за уменьшения температурного напора, а вес и габариты теплообменника необоснованно увеличиваются.
Теплоотводящие радиаторы 4 могут быть установлены с равномерным шагом (фиг. 7). Шаг h установки теплоотводящих радиаторов 4 может быть выбран в диапазоне от 1,5 до 2,5 от ширины теплоотводящего радиатора - b.
h=(1,5…2,5) b,
где: h - шаг расположения пар теплоотводящих радиаторов 4,
b - ширина теплоотводящего радиатора 4.
Соблюдение этого соотношения обеспечит максимальную эффективность передачи тепла от трубки для подачи теплоносителя 1 к внешней среде.
1
2
3
n
Теплоотводящие радиаторы 4 могут быть установлены с переменным шагом hi (фиг. 6), т.е.: h, h, h…h, где:
hi - шаг установки между двумя соседними парами радиаторов,
n - число пар теплоотводящих радиаторов 4.
Закон изменения величины hi в этом случае определяют расчетным или чаще всего экспериментальным путем. Точность тепловых расчетов невелика, поэтому расчет используется при предварительном проектировании.
Оптимальное значение угла установки γ радиальных пластин 5 выбирается в следующем диапазоне:
γ=15°…45°.
Обоснование выбора оптимальной величины угла γ приведено на фиг. 7…9.
На фиг. 7 приведена схема установки радиальных пластин 5 под углом γ к оси теплообменника.
На фиг. 8 показано, что площадь теплообмена Fтo по мере увеличения угла установки γ увеличивается.
Пусть S - длина ребра радиальной пластины,
L - длина трубки.
если γ-const, то
так как cos(γ)<1, то
1
cos(γ)
Таким образом, длина радиальных пластин, расположенных по спирали, больше длины радиальных, расположенных параллельно оси трубки, в / раз.
то
Следовательно, площадь теплообмена F будет больше, и внешняя среда (воздух) будет быстрей нагреваться при тех же габаритах теплообменника.
Угол γ выбирается, исходя из экспериментальных данных, в диапазоне от 15° до 45°.
то
На фиг. 9 приведено экспериментальное обоснование оптимальности заявленного диапазона угла установки γ. При углах установки γ менее 15° уменьшается площадь теплообмена F (поз. 10), как следствие уменьшается эффективность теплопередачи. При углах γ более 45° резко возрастают аэродинамические потери ΔР (поз. 11) радиальных пластин 5 при их обтекании внешней средой.
На фиг. 10 приведен внешний вид теплообменника.
Работа теплообменника.
При работе теплообменника (фиг. 1…10) теплоноситель подается на вход в трубку для подачи теплоносителя 1. Тепловой поток передается через внешнюю поверхность 3 на пары теплоотводящих радиаторов 4 и тепло снимается с них потоком внешней среды.
то
Выполнение радиальных пластин 5 под углом γ к оси трубки для подачи теплоносителя 1 увеличивает площадь теплообмена F и незначительно увеличивает аэродинамические потери ΔР внешней среды (фиг. 9), что позволяет спроектировать оптимальный по тепловой эффективности и весу теплообменник.
Применение полезной модели позволяет:
- увеличить теплопередачу от теплоносителя к внешней среде,
- увеличить площадь теплообмена по сравнению с прототипом за счет установки радиальных ребер под углом,
- спроектировать теплообменник меньших габаритов по сравнению с прототипом при заданной его тепловой эффективности,
- повысить прочность и надежность теплообменника при воздействии изгибающих нагрузок и вибраций за счет увеличения площади радиальных пластин теплоотводящих радиаторов,
- увеличить прочность теплообменника при одновременном уменьшении его массы и обеспечить его работу при более высоких давлениях за счет увеличения его жесткости применением более мощных теплоотводящих радиаторов.