ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

Полезная модель относится к теплообменным поверхностям и может быть использована для интенсификации теплообмена при средних и высоких скоростях потока теплоносителя (и соответствующих числах Рейнольдса (Re)) в различных энергетических устройствах и системах.
Известна теплообменная труба, на теплообменной поверхности которой выполнены сферические выдавки (углубления), направленные внутрь трубы и расположенные в шахматном порядке, причем углубления выполнены с диаметром, составляющим 0,15-0,25 внутреннего диаметра трубы, и расположены в ее поперечном сечении на длине окружности, составляющей 0,5-1,0 периметра трубы (авторское свидетельство СССР №615349, F28F 1/10 опубл. 15.07.1978 г., Бюл. №26).
К недостаткам данного устройства необходимо отнести следующее. Во-первых, не приведено соотношение глубины углубления h и его радиуса R, при которых будет обеспечен заявленный эффект интенсификации теплообмена. Понятно, что при h/R→0 никакой интенсификации теплообмена не будет.
Во-вторых, не указан диапазон чисел Re, при котором достигается цель, заявленная в изобретении.
В-третьих, наибольшая интенсификация теплообмена достигается тогда, когда теплоноситель обтекает сферические углубления, а не сферические выступы как в а.с. №615349. Обтекание выступов приводит, в основном, к росту гидравлического сопротивления проточного тракта, о чем пишут сами авторы.
В целом необходимо отметить, что устройство по а.с. №615349 недостаточно эффективно интенсифицирует теплообмен, а также обладает повышенным гидравлическим сопротивлением.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является теплообменная поверхность со сферическими лунками, расположенными параллельными рядами, причем к каждой лунке примыкает дополнительное углубление в форме конуса, одна из образующих которого выполнена по касательной к лунке в ее поперечном сечении, а другая образующая, расположенная на поверхности, выполнена по касательной к лунке параллельно к оси ряда лунок. Дополнительные углубления могут быть выполнены с двух противоположных сторон. Заявленная цель - интенсификация теплообмена при малых скоростях потока среды (авторское свидетельство СССР №1638536 А1, F28F 1/10, 3/02, опубл. 30.03.91 г., Бюл. №12).
К недостаткам данного устройства необходимо отнести следующее. Во-первых, качественное (не количественное) описание местонахождения образующей конуса в двух ее положениях относительно лунки не позволяет однозначно определить параметры конуса (например, его высоту и центральный угол), а также не позволяет однозначно определить положение конуса относительно лунки. Это делает невозможным практическую техническую реализацию устройства по а.с. №1638536 А1 в промышленных объектах.
Во-вторых, не указаны конкретные размеры самих лунок (не приведено соотношение глубины лунки H и ее радиуса R), при которых будет обеспечен заявленный эффект интенсификации теплообмена. Понятно, что при H/R→0 вихрь в лунке вообще отсутствует и интенсификация теплообмена не происходит.
вых
вых
вх
вых
вх
вых
2
2
2
В-третьих, целесообразность и эффективность использования именно конического канала для «дополнительной закрутки вихря» вызывает большие сомнения. Известно, что кинетическая энергия среды в коническом канале (W), способствующая «дополнительной закрутке вихря», пропорциональна квадрату скорости в выходном сечении конуса (V ). По замыслу авторов, среда движется по коническому каналу в сторону его расширения, т.е. скорость движения среды постоянно уменьшается пропорционально отношению квадратов диаметров во входном и выходном сечениях конуса (d /d ). Например, если d=3 мм, а d=6 мм, то получаем следующее.
вых
вх
т.е. W=6,25% от W. Таким образом, коэффициент полезного действия именно конического канала в рассмотренном случае не превышает 6,25%. Это означает, что только мизерная часть от исходного значения кинетической энергии на входе конуса попадает в лунку и идет «на дополнительную закрутку вихря». При малых скоростях потока среды (на это указывается в а.с. №1638536 А1) это незначительная часть исходной кинетической энергии может быть и дает некоторый положительный эффект, но ее совершенно недостаточно при средних и, тем более, больших скоростях потока. Кроме того, вышеуказанного отрицательного момента можно избежать, если сделать поперечное сечение дополнительного углубления постоянным по ширине.
В целом необходимо отметить, что устройство по а.с. №1638536 А1 недостаточно эффективно интенсифицирует теплообмен при средних и высоких скоростях потока среды.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности интенсификации теплообмена при средних и высоких скоростях потока среды.
Технический результат достигается тем, что на теплообменной поверхности, содержащей сферические лунки с примыкающими дополнительными углублениями, новым является то, что отношение глубины сферической лунки к ее радиусу равно единице, дополнительное углубление является симметричным и имеет постоянную ширину В, угол α между плоскостью симметрии дополнительного углубления и вектором скорости  набегающего потока среды находится в переделах 30°÷45°, плоскость симметрии дополнительного углубления проходит через полюс Р сферической лунки и перпендикулярна к теплообменной поверхности, ширина В и максимальная глубина h дополнительного углубления, а также угол β между плоскостью его основания и теплообменной поверхностью подчиняются условиям: 0,2R≤В≤0,8R; 15°≤β≤45°; h<0,87R, причем число Рейнольдса, вычисленное по величине скорости  набегающего потока среды и диаметру 2R сферической лунки должно быть больше 10000, а геометрическое размещение сферических лунок на теплообменной поверхности осуществляется исходя из критерия максимально допустимой плотности размещения. Кроме того, дополнительные углубления, расположенные на теплообменной поверхности, примыкают к сферической лунке только в области ее передней по потоку половины, одинаковых дополнительных углублений может быть два, причем они располагаются симметрично относительно направления вектора скорости набегающего потока среды.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется на фиг.1 и 2, где:
Фиг.1 - геометрия единичной сферической лунки с одним дополнительным углублением;
Фиг.2 - геометрия единичной сферической лунки с двумя дополнительными углублениями.
1 - поверхность единичной сферической лунки; 2 - дополнительное углубление; 3 - плоскость симметрии дополнительного углубления; 4 - зона перемещения эпицентра вихря при отсутствии дополнительных углублений; 5 - теплообменная поверхность; R, H, P - радиус, глубина, и полюс (нижняя точка) сферической лунки, соответственно; В, h, β - геометрические параметры характеризующие дополнительное углубление.
Заявляемая полезная модель содержит теплообменную поверхность 5, которая содержит распределенные по ней сферические лунки 1, у которых H/R=1, к которым примыкают дополнительные углубления 2 с геометрическими параметрами В, h, β. Дополнительное углубление 2 имеет плоскость симметрии 3 и постоянную ширину В. Угол α между плоскостью симметрии 3 и вектором скорости  набегающего потока среды находится в пределах 30°÷45°, плоскость симметрии 3 проходит через полюс Р и перпендикулярна к теплообменной поверхности 5. Параметры В, h, β дополнительных углублений 2 подчиняются условиям: 0,2R≤В≤0,8R; 15°≤β≤45°; h<0,87R. Число Рейнольдса, вычисленное по величине скорости  и диаметру 2R сферической лунки 1 должно быть больше 10000. Дополнительные углубления 2, расположенные на теплообменной поверхности 5, примыкают к сферической лунке 1 только в области ее передней по потоку половины, одинаковых дополнительных углублений 2 может быть два, причем они располагаются симметрично относительно направления вектора скорости .
Заявляемая полезная модель работает следующим образом. Набегающий поток сплошной среды при Re>10000 обтекает теплообменную поверхность 5 и сферические лунки 1, на поверхности которых образуются вихревые структуры с эпицентром в области полюса Р (при одном дополнительном углублении 2) или с осью вихревой структуры, расположенной приблизительно параллельно поверхности 5 (при двух дополнительных углублениях 2). Указанные вихревые структуры непрерывно турбулизируют и обновляют пограничный слой на поверхности 1, вследствие чего резко интенсифицируется теплообмен между поверхностью 1 и набегающим потоком и, как следствие, повышается эффективность интенсификации теплообмена при средних и высоких скоростях потока среды теплообменной поверхности 5 в целом.
Необходимо отметить следующее. Наиболее изученным, с точки зрения гидродинамики и теплообмена, является сферическое углубление, у которого H/R=1 (например, Кесарев B.C., Козлов А.П. Структура течения и теплообмен при обтекании полусферического углубления турбулизированным потоком воздуха//Вестник МГТУ, Сер. Машиностроение, 1993 г., №1, с.106-115). Авторами установлено, что в таком углублении при Re>10000 формируется устойчивая, самосохраняющаяся вихревая структура, эпицентр которой находится на поверхности 1, а его ось выходит в набегающий поток. При этом эпицентр непрерывно перемещается по зоне 4 вызывая перемещение всей вихревой структуры. При дальнейших экспериментах было установлено, что наличие одиночного дополнительного углубления (см. фиг.1) с вышеуказанными параметрами привело к двум моментам. Во-первых, прекратились нестационарные перемещения эпицентра вихревой структуры. Во-вторых, эпицентр вихря занял практически постоянное положение в области полюса Р, а верх оси вихря изогнулся по направлению набегающего потока. Важно отметить, что в этом случае площадь интенсивного вихревого движения на поверхности углубления оставляла 45%÷50% от общей площади сферического углубления, что значительно больше, чем при отсутствии дополнительного углубления, т.е. площадь интенсивного теплообмена существенно увеличилась. При наличии двух дополнительных углублений (см. фиг.2) ось вихревой структуры заняла примерно горизонтальное положение и интенсивное вихревое движение заняло практически всю площадь сферического углубления.
Необходимо также обратить внимание на тот факт, что расположение углублений каким-то определенным образом (в углах ромбов, трапеций, параллелограммов и т.д.) не дает никаких преимуществ перед другими видами расположении с точки зрения повышения эффективности теплоотдачи теплообменной поверхности в целом. Единственный критерий эффективности в данном случае - это нанесение максимально возможного количества единичных интенсификаторов теплоотдачи на теплообменную поверхность при соблюдении двух условий: единичный интенсификатор сам должен быть максимально эффективен и выбранная плотность размещения интенсификаторов не должна приводить к отрицательному взаимодействию вихревых структур в соседних интенсификаторах.