УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Полезная модель относится к области интенсификации конвективного теплообмена и к конструктивным элементам теплообменников и может быть использовано для повышения эффективности теплообменных процессов между теплоносителями в химическом и нефтехимическом производствах, в теплоэнергетике и хладотехнике.
2
1
1
2
1
Известен патент №2511859 от 10.04.2014, в котором канал образован гладкими участками трубы и выступами, при этом выступы выполнены с дополнительным интенсификатором теплообмена в виде дискретных канавок, поперечных к потоку, причем канал выполнен с геометрическими соотношениями: l=(90-100)h; l=(90-100)h; l′/l=0,05; h/D=0,03, где l - длина канавки, мм; l - длина выступа, мм; l′ - длина участка выступа между неглубокими канавками, мм; h - высота выступа, мм; D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм. Отличием данного устройства от предлагаемого решения является другая геометрия и расположение дискретно-шороховатой поверхности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для интенсификации конвективного теплообмена (патент №2078296 от 27.04.1997), за счет устройства, которое представляет собой трубу с постоянным круговым поперечным сечением и винтовой волнообразной поверхностью, стенки которой, в отличие от ближайшего аналога, в продольном сечении ограничиваются не пологими синусоидальными линиями, а линиями, составленными из дуг окружности и прямых. Отметим, что на синусоидальной кривой нет ни участков в виде дуг окружности, ни прямолинейных участков (выражаясь строго математически, ни один из участков синусоиды не конгруэнтен ни с дугой окружности, ни с отрезком прямой). В отличие от ближайшего аналога в предполагаемом изобретении форма линии, ограничивающей стенки трубы в продольном ее сечении, обеспечивает возникновение в движущейся среде, во-первых, тангенциальной циркуляции значительной величины и, во-вторых, системы вихрей на участках профиля, представляющих собой дуги окружности-впадины. Отличием данного устройства от предлагаемого решения является другое расположение искусственной дискретно-шороховатой поверхности устройства (винтовая накатка по сравнению с предлагаемой поперечной относительно оси трубы) для интенсификации теплообмена.
Недостатком перечисленных устройств для интенсификации конвективного теплообмена является практическое отсутствие увеличения теплоотдачи при ламинарном режиме течения у шероховатой поверхности и при обтекании системы кольцевых канавок. При местной закрутке потока интенсификация теплоотдачи наблюдается лишь на начальном участке и при том за счет больших потерь давления, так как на входе в трубу закручивается весь поток. При течении жидкости или газа в трубе с винтовым гофром вследствие пологости синусоидальных линий, ограничивающих стенки в продольном сечении трубы, не достигается формирования такой структуры потока, которая приводила бы к значительному увеличению интенсивности теплоотдачи. Перечисленные устройства, для интенсификации конвективного теплообмена не позволяет достичь компактности и малой массы, созданных с их применением теплообменных аппаратов в ламинарной области течения теплоносителей при нанесении искусственной шероховатости и большие затраты энергии.
На фиг. 1 представлено устройство для интенсификации теплообмена в продольном сечении трубы. Устройство содержит набор стальных колец 1, установленных внутри круглой трубы 2. Кольца нанизаны на металлическую проволоку 3 через отверстия 4 и располагаются на равном расстоянии друг от друга. Также на фиг. 1 обозначены: S - шаг между выступами; b - ширина выступа; h - высота выступа; D - внутренний диаметр трубы.
Устройство работает следующим образом.
Стальные кольца 1 нанизываются на металлическую проволоку 3 через отверстия 4 и фиксируются с помощью припоя на равном расстоянии друг от друга. Затем они помещаются вовнутрь круглой трубы 2 и закрепляются. Поток жидкости, обтекающий элементы шероховатости, выполненные в форме колец, отрывается от задней кромки выступа и далее распространяется как свободная струя. За счет эжектирующего действия струи во впадине возникает циркуляционное течение, интенсивность и размеры которого определяются скоростью набегающего потока и геометрическими размерами колец. Возникает зона интенсивного смешения, в результате чего увеличивается теплоотдача.
Для увеличения коэффициента теплоотдачи необходимо определить оптимальное значение отношения S/D, поскольку при сближении или удалении друг от друга выступов шероховатости (стальных колец) коэффициенты теплоотдачи будут уменьшаться, постепенно приближаясь к значениям в гладком канале.
В таблице 1 представлен критерий теплогидродинамической эффективности при h/D=0,1 и b/D=0,1 и различным шагом отношения S/D.
3
Тепловая и гидравлическая эффективность предложенного устройства для интенсификации теплообмена подтверждена проведенными авторами опытами в лабораторных условиях на одиночной трубе с различным отношением S/D. Расход жидкости варьировался от 0,1 до 1 м/ч. В качестве жидкости использовалось трансформаторное и турбинное масло.
Таким образом, предполагаемая полезная модель обеспечивает высокий уровень интенсификации конвективного теплообмена в ламинарном режиме в реализующем его устройстве при умеренном росте гидравлического сопротивления.