Развитая теплообменная поверхность
DEVELOPED HEAT EXCHANGE SURFACE

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплообменных устройств.
Известна развитая теплообменная поверхность, содержащая поверхность теплообмена, на которой вдоль продольных осей выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с острыми кромками, образующими сходяще-расходящиеся каналы (Elshafei Е. А. М. et al. Heat transfer and pressure drop in corrugated channels //Energy. - 2010. - T. 35. - №. l. - C. 101-110.).
Основной недостаток настоящего технического решения заключается в низкой интенсивности теплообмена.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является развитая теплообменная поверхность, содержащая поверхность теплообмена, на которой вдоль продольных осей выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками, образующими сходяще-расходящиеся каналы (Islamoglu Y. Effect of rounding of protruding edge on convection heat transfer in a converging-diverging channel //International communications in heat and mass transfer. - 2008. - T. 35. - №. 5. - C. 643-647.).
Основной недостаток настоящего технического решения заключается в невысокой интенсивности теплообмена.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в интенсификации теплообмена за счет изменения конфигурации поверхности теплосъема.
Технический результат заключается в повышении удельных тепловых потоков, снимаемых с развитой поверхности теплообмена.
1
2
1
2
3
1
1
2
1
2
2
1
1
2
1
3
Это достигается тем, что в развитой теплообменной поверхности, содержащей поверхность теплообмена, на которой вдоль продольных осей выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками, образующими сходяще-расходящиеся каналы, продольные оси равноудалены друг от друга в поперечном сечении на S, в продольном направлении зигзагообразные стенки прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками смещены друг относительно друга на S, а ширина проходного сечения сходяще-расходящихся каналов в узкой и широкой части составляет W и W соответственно, при этом на участке сходяще-расходящегося канала, переходящем из диффузора в конфузор, располагается наиболее широкая часть плавниковообразного штырька шириной W, имеющего тупую и острую кромки, образующего два малых канала с постоянной площадью проходного сечения, расстояние от центра O вписанной в плавниковообразный штырек окружности до тупой кромки составляет l, а до острой кромки - l, при этом отношение поперечного шага расположения S зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками к продольному шагу S находится в диапазоне от 0,8 до 1,0, отношение ширин W к W находится в диапазоне от 1,7 до 1,9, отношение расстояний l и l находится в диапазоне от 1,9 до 2, а отношение ширин W и W составляет 1,4-1,6.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена развитая теплообменная поверхность (РТП), на фиг. 2 представлен разрез А-А РТП, на фиг. 3 изображен участок РТП с плавниковообразным штырьком, а на фиг.4 изображен график зависимости числа Нуссельта Nu от числа Рейнольдса Re для заявленной РТП и прототипа.
1
2
1
2
3
1
1
1
2
1
2
2
1
1
1
1
2
1
3
Развитая теплообменная поверхность содержит поверхность теплообмена 1, на одной из сторон которой вдоль продольных осей 2, равноудаленных друг от друга в поперечном сечении на S выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3, а в продольном направлении зигзагообразные стенки прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3 смещены друг относительно друга на S. Между этими ребрами расположены сходяще-расходящиеся каналы 4 с шириной проходного сечения W и W, в широкой части которых предустановлены плавниковообразные штырьки 5, с противоположных сторон имеющие тупые 6 и острые 7 кромки. Плавникообразные штырьки 5 имеют такую форму, что их наиболее широкая часть располагается на участке сходяще-расходящегося канала 4, переходящего из конфузора в диффузор, и имеет ширину W, а расстояние от центра O вписанной в плавниковообразный штырек 5 окружности до тупой кромки 6 составляет l и от центра O вписанной в плавниковообразный штырек 5 окружности до острой кромки 7 l, при этом контур плавниковообразного штырька 5 повторяет контур зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3, образуя два малых канала с постоянной площадью проходного сечения 8. Отношение поперечного шага расположения S зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3 к продольному шагу S находится в диапазоне от 0,8 до 1,0. Отношение ширин широкой части проходного сечения W сходяще-расходящегося канала 4 к узкой части проходного сечения W сходяще-расходящегося канала 4 находится в диапазоне от 1,7 до 1,9. Отношение расстояний от центра О вписанной в плавниковообразный штырек 5 окружности до тупой кромки 6 l и от центра O вписанной в плавниковообразный штырек 5 окружности до острой кромки 7 l находится в диапазоне от 1,9 до 2, а отношение ширины проходного сечения сходяще-расходящегося канала 4 W и ширины плавниковообразного штырька 5 W составляет 1,4-1,6.
Для оребренной стороны развитой теплообменной поверхности рабочая среда является газообразной.
Данную развитую теплообменную поверхность можно использовать в любом теплообменном устройстве, включая охлаждаемые каналы, пластинчатые теплообменники и т.д.
Развитая теплообменная поверхность работает следующим образом.
В рабочем процессе газообразная среда обтекает оребренную сторону поверхности теплообмена 1 в сходяще-расходящихся каналах 4, принимая или передавая через нее тепловой поток. При натекании газообразной среды на плавниковообразные штырьки 5 со стороны тупой кромки 6 поток разделяется и, протекая по малым каналам с постоянной площадью проходного сечения 8, прижимается к зигзагообразным стенкам прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3, исключая тем самым застойные зоны в широкой части сходяще-расходящихся каналов 4.
Указанное сочетание сходяще-расходящихся каналов 4 и плавникообразных штырьков 5 позволяет значительно повысить интенсивность теплообмена по сравнению с прототипом. Значительное повышение коэффициента теплоотдачи на поверхности теплообмена 1 вызвано, прежде всего, исключением застойных зон в широкой части сходяще-расходящихся каналов 4 и частичным поглощением пограничного слоя.
В результате проведения численного эксперимента была подтверждена высокая интенсивность теплообмена РТП. Графическая зависимость числа Нуссельта Nu от числа Рейнольдса Re для заявленной РТП и прототипа развитых теплообменных поверхностей приведена на фигуре 3, где линия 1 отражает зависимость для РТП, на которой выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками с предустановлеными каплевидными штырьками. Линия 2 отражает зависимость для РТП, на которой выполнено оребрение в виде зигзагообразных стенок прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками без предустановленных каплевидных штырьков. Как видно из графика, предлагаемое техническое решение обладает значительно более высокой интенсивностью теплообмена по сравнению с прототипом: число Nu в диапазонах чисел Re от 20000 до 60000 оказывается выше в 1,5-1,9 раз.
Столь значительный рост интенсивности теплообмена вызван, прежде всего, разрушением застойных зон в широкой части сходяще-расходящихся каналов 4. Структура потока принципиально меняется. Поток, натекающий на плавниковообразные штырьки 5, перенаправляется к зигзагообразным стенкам прямоугольного поперечного сечения с закругленными кромками 3 и разрушает низкоинтенсивные вихревые течения в диффузорной части сходяще-расходящихся канала 4, увеличивая тем самым эффективную площадь теплообмена.
Использование изобретения позволяет достичь повышения удельных тепловых потоков, снимаемых с развитой поверхности теплообмена за счет повышения интенсификации теплообмена.