ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а конкретно - к теплоэнергетическим установкам, используемым для вентиляции и отопления помещений, зданий, сооружений, а также в различных теплообменных аппаратах, промышленных газотурбинных энергоустановках и двигателях.
Известно, что в научной теплотехнической литературе различают «безотрывные» и «отрывные» выемки, используемые для интенсификации теплообмена. Основным отличительным признаком этих двух типов выемок является их относительная глубина h/d, где h - максимальная глубина выемки, d - гидравлический диаметр выемки в плане.
Гидравлический диаметр выемки d=4F/П, где F - площадь выемки в плане, а F - ее периметр.
«Безотрывная» выемка (h/d≤0,1…0,2) содержит в потоке на обтекаемой поверхности продольные микровихри сравнительно небольших размеров. При движении теплоносителя внутри выемки микровихри прилегают к обтекаемой поверхности, как бы повторяя ее профиль и поэтому не создают больших гидравлических потерь.
«Отрывная» выемка (h/d>0,2) создает крупномасштабные вихревые структуры, превосходящие по размерам и мощности микровихревые пристенные структуры, образующиеся в «безотрывных» выемках. При работе «отрывных» выемок увеличивается теплоотдача и растут гидравлические потери.
Известна матрица «безотрывных» сферических выемок (h/d - 0,1…0,2), используемая для интенсификации теплообмена и принятая за прототип. Она исследована в работе: Беленький М.Я., Готовский М.А., Леках Б.М. и др. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формованных сферическими лунками // Теплофизика высоких температур. 1991, т. 29, №16. С. 1142-1147. Исследованная матрица сферических выемок имела относительную глубину h/d=0,1…0,2.
Подробные исследования единичного элемента этой матрицы - сферической выемки с h/d=0,1…0,2 опубликованы в статье Афанасьева В.Н., Чудновского Я.П. Теплообмен и трение при безотрывном обтекании сферических углублений турбулентным потоком воздуха // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1991. - №4. С. 15-25.
Основными недостатками исследованной теплообменной поверхности являются низкая эффективность и недостаточная полноценность использования поверхности выемки сферической формы для интенсификации теплоотдачи внутри полости.
Известно, что выемки на теплообменной поверхности матрицы могут иметь коридорное или шахматное расположение, причем это относится как к безотрывным, так и к отрывным выемкам. Например, в работе: Нагога, Г.П. Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин: учебное пособие / Г.П. Нагога. - М.: Изд-во МАИ, 1996. - 100 с. приведены результаты исследования теплоотдачи для матрицы с коридорным или шахматным расположением выемок.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в увеличении теплоотдачи около теплообменной поверхности в диффузорных «безотрывных» и «отрывных» выемках различных форм и конструктивных схем компоновки матрицы, обеспечивающих максимальную плотность взаимного расположения выемок, что позволит создать высокоэффективное, компактное теплообменное устройство и эффективную систему охлаждения газотурбинной энергоустановки или двигателя.
вх
вых
Технический результат достигается тем, что теплообменная поверхность, содержащая расположенные параллельными рядами «безотрывные» выемки, новым является то, что выемки в плане выполнены диффузорной формы по направлению движения основного потока теплоносителя в виде Т-образной фигуры со скругленными внутренними углами, вершина треугольного продольного участка которой является входной кромкой, а стенка выпуклого поперечного участка - выходной кромкой, донная часть выемок в плоскости их меридионального сечения образована двумя плавно соединяющимися между собой входным и выходным участками, входной участок имеет диффузорную форму, занимает 4/5 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру радиусом R=0,75h, при этом отношение максимальной глубины выемки к гидравлическому диаметру d в плане h/d на этом участке увеличивается от нуля до 0,2; выходной участок - конфузорной формы, имеет протяженность равную (1/5) L, соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру радиусом R=h, а величина h/d на этом участке уменьшается от 0,2 до нуля.
На участках исходно гладкой теплообменной поверхности между упомянутыми выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» выемки с h/d≤0,2, причем в пределах одной матрицы теплообменной поверхности форма и размеры дополнительных выемок - одинаковы.
Дополнительные «безотрывные» выемки выполнены сферическими.
На участках исходно гладкой теплообменной поверхности между упомянутыми выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «отрывные» выемки с h/d>0,2, причем в пределах одной матрицы теплообменной поверхности форма и размеры дополнительных выемок одинаковы.
Дополнительные «отрывные» выемки выполнены сферическими или двухполостными с диффузорными полостями с h/d>0,2.
Возможно расположение основных «безотрывных» Т-образных выемок как в коридорном, так и в шахматном порядке. Для коридорного и шахматного расположения «безотрывных» Т-образных выемок на матрице теплообменной поверхности предлагается три конструктивные схемы их компоновки:
схема 1 - на матрице размещены только «безотрывные» Т-образные выемки одинаковой формы в плане;
схема 2 - на участках исходно гладкой теплообменной поверхности матрицы между упомянутыми выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» сферические выемки одинакового размера;
схема 3 - в качестве дополнительных выемок используются «отрывные» сферические выемки или «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями, выполненные по патенту на изобретение RU 2569540 С1, причем в пределах одной матрицы дополнительные «отрывные» выемки выполняются одного размера.
Предложенная полезная модель представлена на фиг. 1-3 где:
Фиг. 1 - теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, расположенными параллельными рядами - коридорное расположение; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, имеющими коридорное расположение, и дополнительными сферическими «безотрывными» выемками, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, имеющими коридорное расположение, и дополнительными «отрывными» двухполостными выемками с диффузорными полостями, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками.
Фиг. 2 - выполненные в масштабе 5:1 в меридиональной плоскости сечения основных «безотрывных» выемок Т-образной формы для всех схем расположения выемок на теплообменной поверхности матрицы, а также сечения в меридиональной плоскости дополнительных «безотрывных» и «отрывных» сферических выемок.
Здесь:
вид а) - продольное сечение А-А основной «безотрывной» Т-образной выемки;
вид б) - поперечное сечение Б-Б основной «безотрывной» Т-образной выемки в зоне ее максимальной глубины h;
б/отр
вид в) - сечение С-С дополнительной сферической «безотрывной» выемки в зоне ее максимальной глубины h;
отр
вид г) - сечение С-С дополнительной сферической «отрывной» выемки в зоне ее максимальной глубины h.
Фиг. 3 - теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, расположенными в шахматном порядке; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, имеющими шахматное расположение, и дополнительными сферическими «безотрывными» выемками, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, имеющими шахматное расположение, и дополнительными «отрывными» двухполостными выемками с диффузорными полостями, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками.
На фиг. 1, 3:
вид а) - матрица теплообменной поверхности, выполненная по схеме 1;
вид б) - матрица теплообменной поверхности, выполненная по схеме 2;
вид в) - матрица теплообменной поверхности, выполненная по схеме 3.
Где:
1 - исходно гладкая теплообменная поверхность матрицы;
2 - основные «безотрывные» выемки, имеющие в плане Т-образную форму (фиг. 1, фиг. 3);
3 - дополнительные «безотрывные» или «отрывные» сферические выемки (фиг. 1, б; фиг. 3, б);
4 - дополнительные «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в; фиг. 3, в);
а
5 - входная кромка основной «безотрывной» Т-образной выемки (фиг. 1, );
а
6 - выходная кромка основной «безотрывной» Т-образной выемки (фиг. 1, );
а
7 - боковые стенки основной «безотрывной» Т-образной выемки (фиг. 1, );
8 - входная кромка дополнительных «безотрывной» или «отрывной» сферических выемок (фиг. 1, б);
9 - выходная кромка дополнительных «безотрывной» или «отрывной» сферических выемок (фиг. 1, б);
10 - входная кромка дополнительной «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в);
11 - выходная кромка дополнительной «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в);
12 - боковые стенки дополнительной «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в);
13 - продольное внутреннее ребро дополнительной «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в).
На всех фигурах стрелкой показано направление движения теплоносителя.
а
а
а
По схеме 1 эффект повышения теплоотдачи около теплообменной поверхности достигается тем, что «безотрывные» Т-образные выемки с h/d≤0,1…0,2 имеют диффузорную форму в направлении основного потока в плане со скругленными по контуру кромками и скругленными вглубь выемок внутренними углами (фиг. 1, ; фиг. 3, ). Для выемок Т-образной формы (см. фиг. 1, ) входной кромкой (5) является вершина треугольного продольного участка, через которой поток входит в выемку (2), а выходной кромкой (6) - стенка выпуклого поперечного участка.
Диффузорная форма «безотрывных» выемок в плане для всех перечисленных схем обеспечивает более высокую степень диффузорности потока, обтекающего внутреннею поверхность выемок, увеличивая при этом интенсивность пристенных микровихрей и их протяженность, а значит, - и теплоотдачу в выемках. Повышение интенсивности пристенных вихрей обусловлено снижением устойчивости потока в диффузорном течении, которое становится более склонным (восприимчивым) к образованию увеличивающих теплоотдачу микроотрывов около обтекаемой поверхности.
а
а
вх
вых
Кроме этого, в плоскости меридионального сечения «безотрывных» Т-образных выемок (см. сечение А-А на фиг. 1, ) их донная часть выполнена определенной формы и образована двумя плавно соединяющимися между собой входным и выходным участками (фиг. 2, ). Входной участок имеет диффузорную форму, занимает 4/5 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру радиусом R=0,75h, при этом отношение h/d на этом участке увеличивается от нуля до 0,2. Выходной участок - конфузорной формы, имеет протяженность равную (1/5) L, соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру радиусом R=h, а величина h/d на этом участке уменьшается от 0,2 до нуля.
Такая форма донной части в плоскости меридионального сечения для «безотрывных» Т-образных выемок обеспечивает значительно более протяженный участок поверхности диффузорного типа, чем в сферической «безотрывной» выемке. Это способствует дополнительному увеличению степени диффузорности обтекающего выемку потока, что еще более увеличивает интенсивность пристенных микровихрей, и, как следствие, - теплоотдачу в выемке. При этом, в «безотрывных» Т-образных выемках с целью снижения гидравлического сопротивления используется скругление кромок, как это видно на поперечном сечении выемки Б-Б (фиг. 2, б), где В - ширина выемки.
б/отр
б/отр
б/отр
По схеме 2 на участках исходно гладкой теплообменной поверхности матрицы между упомянутыми основными «безотрывными» выемками Т-образной формы в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» сферические выемки одинакового размера с h/d≤0,2 (фиг. 1, б; фиг. 3, б). На фиг. 2, в показано сечение С-С в меридиональной плоскости дополнительной «безотрывной» сферической выемки, где D, R, h - диаметр, радиус и максимальная глубина этой выемки.
Для «безотрывных» сферических выемок (см. фиг. 1, б) входной кромкой (8) является первая по ходу потока половина выемки (3), а выходной кромкой (9) - вторая по ходу потока половина выемки.
В дополнительных «безотрывных» сферических выемках происходят такие же гидродинамические процессы с образованием микровихрей, что и в «безотрывных» выемках, принятых за прототип. Это приводит к повышению теплоотдачи в них до более высокого уровня, чем на исходно гладкой обтекаемой потоком поверхности матрицы.
По схеме 3 на участках исходно гладкой теплообменной поверхности матрицы между упомянутыми основными «безотрывными» Т-образными выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «отрывные» выемки. Предлагается две формы дополнительных «отрывных» выемок.
Дополнительные «отрывные» выемки сферической формы располагаются на матрицах аналогично дополнительным «безотрывным» сферическим выемкам, представленным на фиг. 1, 6 и фиг. 3, б. Входные и выходные кромки «отрывных» и «безотрывных» сферических выемок совпадают.
отр
отр
отр
На фиг. 2, г показано сечение С-С в меридиональной плоскости дополнительной «отрывной» сферической выемки, где D, R, h - диаметр, радиус и максимальная глубина этой выемки.
Двухполостные «отрывные» выемки с диффузорными полостями, выполненные по патенту на изобретение RU 2569540 С1, показаны на фиг. 1, в; фиг. 3, в. Для этих выемок (см. фиг. 1, в), имеющих в плане вид выпуклого треугольника, входной кромкой (10) является вершина треугольной части выемки, а выходной кромкой (11) - основание треугольника, разделенное продольным внутренним ребром (13).
В дополнительных «отрывных» выемках (h/d>0,2) происходят более эффективные процессы интенсификации теплоотдачи по сравнению с «безотрывными» выемками. В свою очередь, выбор «отрывных» двухполостных выемок с диффузорными полостями по сравнению со сферическими выемками «отрывного» типа, объясняется их более высокой интенсификацией теплообмена с помощью двух мероприятий: во-первых, путем формирования двух отдельных полостей, разделенных продольным внутренним ребром, с образующимися в них непрерывно функционирующими автономными крупномасштабными вихревыми структурами, и, во-вторых, - путем организации диффузорного характера возвратного течения рабочего тела в каждой из этих полостей относительно основного направления движения потока теплоносителя. Отметим, что все дополнительные «отрывные» выемки в границах одной матрицы имеют одинаковые размеры.
Совместное использование основных «безотрывных» и дополнительных «отрывных» выемок в матрице позволяет получить около теплообменной поверхности более высокую теплоотдачу, по сравнению с использованием матриц только с «безотрывными» выемками различных схем их расположения на теплообменной поверхности. Наибольший эффект интенсификации теплообмена достигается при применении в качестве дополнительных «отрывных» выемок двухполостных выемок с диффузорными полостями. Связано это с тем, что диффузорные эффекты «безотрывных» и дополнительных «отрывных» выемок проявляются при их «зеркальном» (по отношении друг к другу) расположении в матрице (см. фиг. 1, в; фиг. 3, в). В результате такой комбинированной расстановки этих выемок, особенно при их шахматном расположении (см. фиг. 3, в), суммарная плотность расположения выемок на теплообменной поверхности близка к максимальной, что способствует максимальному конвективному теплопереносу в матрице по сравнению с меньшим значением плотности расположения выемок. В качестве дополнительных «отрывных» выемок могут быть использованы и другие формы выемок, например, овальные или v-образные.
По сравнению с основными «безотрывными» Т-образными выемками дополнительные «отрывные» выемки могут иметь большую глубину h, которая, при необходимости, может быть уменьшена за счет снижения их гидравлического диаметра d в плане до требуемого значения, обеспечивающего равенство глубин дополнительных и основных выемок, размещенных на теплообменной поверхности матрицы.
Теплообменная поверхность работает следующим образом.
При подаче воздуха, другого газа или жидкости на теплообменную поверхность матрицы, на которой в коридорном (фиг. 1) или шахматном (фиг. 3) порядке расположены основные «безотрывные» Т-образные выемки, поток движется вдоль нее в направлении, указанном стрелкой, со структурой, определяемой геометрическими и режимными условиями обтекания основных «безотрывных» Т-образных выемок. При обтекании матриц, у которых кроме основных «безотрывных» Т-образных выемок на теплообменной поверхности в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» сферические или «отрывные» сферические, или «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями, картина течения изменяется, что обусловлено влиянием дополнительных выемок.
а
а
а
По схеме 1 обтекание матрицы с основными «безотрывными» Т-образными выемками (на примере коридорного их расположения) происходит следующим образом. Поток теплоносителя после обтекания исходно гладкой поверхности (1) попадает через входную кромку (5) во внутреннюю полость (см. фиг. 1, ) «безотрывной» Т-образной выемки (2). Благодаря расширяющимся боковым стенкам (7) выемки и углубляющейся ее донной поверхности (сечение А-А на фиг. 2, ), поток приобретает диффузорный характер. Причем, если в «безотрывной» сферической выемке (фиг. 2, в) диффузорная форма канала имеет место лишь в первой по ходу потока половине выемки, то в Т-образной «безотрывной» выемке боковые стенки (7) и профиль донной части в плоскости меридионального сечения обеспечивают диффузорную форму выемки на входном участке значительно большей протяженности - на расстоянии 4/5 ее длины L, отсчитывая от входной кромки (5). Таким образом, интенсификация теплообмена в предлагаемых основных «безотрывных» Т-образных выемках будет происходить на длине (4/5) L (фиг. 2, ). На последующем вдоль потока выходном участке выемки размером (1/5) L конфузорный характер донной части выемки и диффузорный характер ее боковых стенок (7), а также влияние поперечного участка в плане Т-образной выемки, приведет к примерно безградиентному или слабоконфузорному течению, что не ухудшает теплоотдачи, по сравнению с конфузорным течением потока в «безотрывной» сферической выемке.
При шахматном расположении основных «безотрывных» Т-образных выемок происходят аналогичные процессы интенсификации теплообмена, при этом их интенсивность может быть несколько выше за счет большего количества выемок, размещаемых на теплообменной поверхности матрицы, и положительного взаимного влияния друг на друга выемок, расположенных в смежных рядах.
Схема 2 отличается от первой тем, что на теплообменной поверхности матрицы на ее исходно гладких участках между основными «безотрывными» выемками Т-образной формы размещены дополнительные «безотрывные» сферические выемки (фиг. 1, б; фиг. 3, б). При обтекании матрицы теплоносителем в дополнительных «безотрывных» сферических выемках, аналогично «безотрывным» сферическим выемкам по прототипу, образуются микровихри, увеличивающие теплоотдачу в них до более высокого уровня, нежели на обтекаемой исходно гладкой поверхности матрицы. В результате повышается средняя теплоотдача всей матрицы с основными и дополнительными «безотрывными» выемками. Аналогичные физические процессы интенсификации теплоотдачи с использованием дополнительных «безотрывных» сферических выемок происходят как при коридорном, так и при шахматном расположении выемок на теплообменной поверхности матрицы. Из литературы известно, что для традиционных сферических выемок «отрывного» и «безотрывного» типов шахматное их расположение, с точки зрения интенсивности процессов теплообмена, является предпочтительным, по сравнению с коридорным расположением выемок. Физически обоснованно можно полагать, что применительно к предлагаемым схемам выемок эта рекомендация остается в силе.
Схему 3 теплообменной поверхности целесообразно использовать в том случае, когда при ее работе необходимо обеспечить более высокую по сравнению с первыми двумя схемами, степень интенсификации теплообмена. С этой целью на исходно гладких участках матрицы между основными «безотрывными» Т-образными выемками в смежных рядах размещаются дополнительные «отрывные» сферические выемки (вид матриц аналогичен, представленным на фиг. 1, б и фиг. 3, б) или «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями, выполненные по патенту на изобретение RU 2569540 С1 (фиг. 1, в; фиг. 3, в). Выбор «отрывных» двухполостных выемок с диффузорными полостями по сравнению со сферическими выемками «отрывного» типа, позволяет обеспечить более высокую интенсификацию теплообмена и, как следствие, повысить эффективность работы теплообменной поверхности. Это объясняется тем, что в «отрывных» двухполостных выемках с диффузорными полостями создаются более благоприятные условия для организации и повышения мощности крупномасштабных вихревых структур, когда обводы выемок фактически эквидистантны внешним линиям тока этих структур.
Как видно из схем теплообменных поверхностей, где используются двухполостные выемки с диффузорными полостями, входными и выходными кромками основных «безотрывных» и дополнительных «отрывных» выемок являются их разные стенки.
Так, для основных «безотрывных» Т-образных выемок, имеющих в плане диффузорную форму, входной кромкой является вершина треугольного продольного участка, через которой поток входит в выемку, а выходной кромкой - стенка выпуклого поперечного участка, через который поток выходит из выемки. При обтекании основных «безотрывных» Т-образных выемок диффузорный характер течения обеспечивается во всей полости выемки.
В дополнительных «отрывных» двухполостных выемках с диффузорными полостями - наоборот: входная кромка - это участок стенки выемки, примыкающий к вершине выпуклого треугольника, а выходная кромка - участок стенки, примыкающий к его основанию, разделенным продольным внутренним ребром.
Связано это с тем, что в основных «безотрывных» Т-образных выемках конвективный перенос теплоты осуществляется между стенкой и безотрывным потоком, совпадающим с направлением движения основного потока теплоносителя, обтекающего теплообменную поверхность. А в «отрывных» двухполостных выемках с диффузорными полостями - наоборот: конвективный теплоперенос осуществляется между стенкой и возвратным течением, противоположным направлению основного потока теплоносителя.
Такое «зеркальное» расположение на теплообменной поверхности матрицы основных «безотрывных» Т-образных и дополнительных «отрывных» двухполостных выемок с диффузорными полостями, связанное с эффективным их функционированием в качестве интенсификаторов теплоотдачи, позволяет весьма удачно заполнить интенсификаторами теплообмена практически всю теплообменную поверхность, тогда как с помощью сферических инетенсификаторов теплообмена обеспечивается меньшая плотность расположения выемок. В нашем же случае плотность расположения интенсификаторов на теплообменной поверхности ограничивается лишь механической прочностью перемычек между выемками и необходимостью обеспечить их скругление. Совместное использование основных «безотрывных» Т-образных и дополнительных «отрывных» двухполостных выемок с диффузорными полостями позволяет создавать максимально возможную плотность расположения выемок в матрице.
БВ
ДВДП
Кроме этого, в предлагаемых схемах основные «безотрывные» Т-образные и дополнительные «отрывные» выемки должны иметь одинаковые абсолютные значения максимальных глубин выемок (h=h). Данное требование объясняется необходимостью обеспечения равнопрочности стенок теплообменной поверхности, снижением термических напряжений в ней и более высокой технологичностью.
В этом случае абсолютные значения максимальных глубин выемок вычисляются по формуле:
ДВДП
БВ
ДВДП
ДВДП
БВ
БВ
h=h=d(h/d)=d(h/d),
БВ
БВ
ДВДП
ДВДП
где h, d - глубина и гидравлический диаметр в плане основной «безотрывной» Т-образной выемки соответственно; h, d - глубина и гидравлический диаметр в плане «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями соответственно.
Основные «безотрывные» Т-образные выемки всегда будут иметь более обширные площади в плане, нежели дополнительные «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями.