ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для увеличения интенсивности конвективного теплообмена, и может быть использовано в теплоэнергетической, коммунальной, транспортной и других отраслях народного хозяйства.
В перечисленных отраслях народного хозяйства большое значение имеет применение устройств, использующих конвективный теплообмен для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, для предотвращения теплового загрязнения окружающей среды. Основным показателем работы данных устройств является интенсификация теплопередачи.
В известных устройствах, выполненных в виде трубчатых теплообменников, радиаторов для повышения интенсификации теплопередачи параллельные трубочки располагаются наиболее рационально - коридорно или шахматно [1, с.173-177].
К некоторому повышению интенсификации теплопередачи приводит применение в устройствах трубочек элементов, турбулизирующих потоки как охлаждаемых, так и охлаждающих жидкостей и газов. В одном из таких устройств [1, с.135 и с.285] в качестве полостей для пропуска охлаждаемой и охлаждающей жидкости использованы трубочки, выполненные с элементами, турбулизирующими потоки, в виде выступов искусственной шероховатости треугольной или прямоугольной формы, расположенных с внутренней стороны трубочек (см. фиг.1).
Недостатком этого устройства является сравнительно малая эффективность по турбулизации потоков за счет отрывного обтекания жидкостью выступов на внутренней стороне трубочек.
В качестве прототипа может быть представлен пластинчатый воздухоподогреватель по а.с. №1575062, содержащий в качестве турбулизаторов выемки и выступы продолговатой формы в чередующемся порядке. На перегородках, кроме них имеются опорные выступы для образования между листами нужного зазора и не являющихся турбулизаторами. Этот тип турбулизаторов обладает тем недостатком, что при обтекании выступов вихри образуются лишь в кормовой их части и не обладают высокой эффективностью.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности функционирования теплообменника за счет повышения интенсивности конвективного теплообмена, что достигается увеличением степени турбулизации потоков как охлаждаемых, так и охлаждающих жидкостей и газов.
Для достижения этого технического результата в теплообменнике, включающем полости для пропуска охлаждаемой и охлаждающей жидкостей, применены перегородки для образования полостей для пропуска жидкости, выполненные с элементами, турбулизирующими поток, в виде чередующихся впадин и возвышений в форме усеченных конусов, расположенных коридорно или шахматно на перегородках, установленных с расположением усеченных конусов на соседних из них противоположно друг другу и с соблюдением их общей соосности, кроме этого элементы, турбулизирующие поток жидкости, снабжены выступами, выполненными полыми или сплошными, которые установлены внутри усеченных конусов на их малых основаниях, причем высота выступов больше высоты конуса на величину, определяемую в соответствии с выражением h=(0,1÷0,3)·r, где r - радиус малого основания, при этом соседние перегородки образуют полости с чередованием то для пропуска охлаждаемой жидкости, то для пропуска охлаждающей жидкости.
По второму варианту в теплообменнике, включающем полости для пропуска охлаждаемой и охлаждающей жидкостей, образованные перегородками, выполненными с элементами, турбулизирующими поток жидкостей в виде чередующихся впадин и возвышений в форме усеченных конусов, расположенных коридорно или шахматно, и противоположно друг другу на соседних перегородках с соблюдением их общей соосности, элементы, турбулизирующие поток, снабжены трубочками, установленными по оси усеченных конусов и проходящими насквозь через перегородки, причем трубочки использованы как полости для пропуска охлаждаемой жидкости, а полости для пропуска охлаждающей жидкости образованы каждыми соседними перегородками.
Использование теплообменника с предлагаемой конструкцией элементов, турбулизирующих поток, позволяет целенаправленно индуцировать в потоке жидкости множество квазиупорядоченных вихрей, в том числе и подковообразных, обладающих повышенной интенсивностью, что приводит к повышению интенсивности теплообмена между соседними чередующимися полостями, через которые пропускается охлаждаемая и охлаждающая жидкости (газы). Снабжение элементов турбулизации потока полыми и сплошными выступами или трубочками, проходящими насквозь через перегородки, повышает интенсификацию теплообмена, что достигается за счет контакта множества подковообразных вихрей с каждым выступом и с каждой трубочкой по всей ее длине.
Авторам неизвестно использование в других технических решениях предложенной совокупности отличительных признаков для повышения экономичности, надежности, эффективности теплообменных устройств. Следовательно, можно сделать вывод: предложенная конструкция теплообменника нова и соответствует критерию «изобретательский уровень».
Изобретение промышленно применимо и может быть использовано при массовом производстве теплообменных аппаратов.
Предложенное изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.2-5.
На фиг.2 представлен продольный разрез теплообменника, в котором полости для пропуска воды образованы перегородками.
На фиг.3 - вид по А-А.
На фиг.4 представлен продольный разрез перегородок теплообменника со схемой контакта подковообразных вихрей с внутренней поверхностью полостей для пропуска жидкости, снабженных дополнительными элементами, турбулизирующими поток в виде выступов.
На фиг.5 представлен продольный разрез теплообменника, где полости для пропуска охлаждаемой воды и дополнительные элементы, турбулизирующие поток, выполнены в виде трубочек.
В предлагаемом теплообменнике полости для пропуска охлаждаемой и охлаждающей жидкостей образованы перегородками 1 (см. фиг.2), выполненными с чередующимися впадинами 2 и возвышениями 3 в форме усеченных конусов с образующей 4 и малым основанием 5. Усеченные конусы выполняют роль элементов, турбулизирующих поток жидкости (см. фиг.3). Дополнительные элементы, турбулизирующие поток, выполнены в виде выступов 6 полых или сплошных. Выступы 6 установлены внутри усеченных конусов на малых основаниях 5. Высоту выступов 6 h определяют в соответствии с выражением h=(0,1÷0,3)·r, где r - радиус малого основания 5 усеченного конуса. Перегородки 1 (см. фиг.3) в теплообменнике установлены с расположением усеченных конусов на соседних перегородках противоположно друг другу с соблюдением их общей соосности по общей оси 7, при этом соседние перегородки 1 образуют полости с чередованием то для пропуска охлаждаемой жидкости, то для пропуска охлаждающей жидкости, причем потоки жидкостей в соседних полостях направлены встречно друг другу.
Возможно выполнение дополнительных элементов, турбулизирующих поток, в виде трубочек 8 (см. фиг.5), установленных по оси 7 усеченных конусов и проходящих насквозь через перегородки 1. Трубочки 8 установлены в трубочной доске 9. Охлаждаемая жидкость подается по трубочкам 8, внешняя поверхность которых выполняет роль дополнительных элементов, турбулизирующих поток жидкости. Полости для пропуска охлаждающей жидкости образованы каждыми соседними перегородками 1.
Работа предлагаемого теплообменника.
Устройство работает следующим образом. Поток жидкости при движении между двумя перегородками 1 и обтекании элементов, турбулизирующих поток жидкости, образует в основании каждого из них устойчивый вихрь подковообразной формы, охватывающий элемент, турбулизирующий поток жидкости и обладающий высокой интенсивностью. Последнее приводит к усиленному отбору тепла как от перегородки 1, так и от впадин 2 и возвышений в форме усеченного конуса 3. В подковообразном вихре происходит непрерывное обновление жидкости, что усиливает развитие конвекционных течений. При снабжении элементов, турбулизирующих поток жидкости, полыми или сплошными выступами внутри них также развиваются вихри, которые дополнительно усиливают интенсивность теплообмена. В случае сплошных выступов часть теплообмена осуществляется сложным теплообменом.
Второй вариант предлагаемого устройства представлен на фиг.5, где показаны трубочки 8, по которым подается охлаждаемая жидкость, объединенные трубочной доской 9. В этом случае по каналам 10 подается охлаждающая жидкость. В углублениях образуются подковообразные вихри, во множестве охватывающие каждую из трубочек по длине, что приводит к резкому увеличению теплообменных процессов.
Технико-экономический эффект от использования теплообменника
Ожидаемое повышение эффективности охлаждения жидкостей приведет не только к интенсификации процесса охлаждения, но и к уменьшению металлоемкости у теплообменников, что при массовом их применении приведет к существенному экономическому эффекту.
Источники информации
1. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. М.: Энергоиздат. 1982 / Под ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. С.135, 173-177, 285.