СПОСОБ СТРУЙНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
SURFACE JET COOLING METHOD, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплообменных устройств, систем охлаждения теплонапряженных элементов энергоустановок.
Известны способы струйного охлаждения поверхностей [Зысина-Моложен Л.М. Теплообмен в турбомашинах. С.267, рис.114], [патент США 0074325 А1, МПК F28C 7/02], [патент США 5391052, МПК F01D 25/12], [патент США 005467815, МПК F28F 13/12] и устройства для их осуществления [Зысина-Моложен Л.М. Теплообмен в турбомашинах. С.267, рис.114], [патент США 005467815, МПК F28F 13/12], принцип действия которых основан на том, что поток охлаждающей среды направляется на поверхность перпендикулярно или под некоторым углом через щель, отверстие или сопло, расположенные на некотором удалении от охлаждаемой стенки. В зоне удара (вблизи критической точки) и последующего разворота струи, вследствие повышенных градиентов скорости, уменьшается толщина пограничного слоя, что приводит к существенной интенсификации теплообмена. В самой критической точке скорость струйного потока равна нулю, давление и коэффициенты теплоотдачи имеют максимальные значения. По мере удаления от критической точки давление уменьшается, а скорость вначале увеличивается (в пределах зоны разворота), достигает максимума, а затем уменьшается по закону, характерному для пристеночной струи, что в свою очередь приводит к экспоненциальному уменьшению интенсивности теплообмена.
Основными недостатками описанных способов и устройств струйного охлаждения являются значительная неравномерность охлаждения поверхности, малая область воздействия охлаждающей струи, низкие значения среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи.
th
Наиболее близким к изобретению является способ струйного охлаждения, заключающийся в натекании на охлаждаемую поверхность закрученной струи [Kinsella С. Heat transfer enhancement from a horizontal surface by impinging swirl jets. 5 European thermal-sciences conference, 2008]. Использование закрученной струи позволяет снизить неравномерность охлаждения и повысить среднее значение коэффициента теплоотдачи за счет увеличения угла раскрытия струи под действием центробежных сил, действующих на закрученный поток, и расширения области воздействия закрученной струи на поверхность.
th
Прототипом устройства для осуществления способа является устройство, генерирующее закрученную струю и состоящее из закручивающего устройства, выполненного в виде многоканального лопаточного завихрителя, установленного на выходе из струйного сопла [Kinsella С. Heat transfer enhancement from a horizontal surface by impinging swirl jets. 5 European thermal-sciences conference, 2008].
Недостатком данного способа струйного охлаждения и устройства для его реализации являются низкие локальные коэффициенты теплоотдачи в центре области соударения струи с поверхностью (вблизи критической точки), вследствие низких скоростей в рециркуляционной зоне, формирующейся под действием радиального градиента давления в центральной части закрученной струи, создаваемой закручивающим устройством.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение скорости в приосевой зоне закрученной струи, разрушение рециркуляционной зоны и, как следствие, интенсификация теплообмена в центре области соударения закрученной струи с поверхностью, снижение неравномерности охлаждения, увеличение среднего и локального коэффициента теплоотдачи, расширения области воздействия закрученной струи на поверхность.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе струйного охлаждения поверхностей создается закрученная струя, натекающая на охлаждаемую поверхность, в центральную часть которой подается незакрученная осесимметричная струя, формируя тем самым комбинированную струю, периферийная часть которой представляет собой закрученный кольцевой поток, в приосевой части которого движется незакрученная осесимметричная струя. Наличие незакрученного потока способствует увеличению осевой скорости в центральной части струи, разрушению зоны обратных токов. В результате взаимодействия двух струй - незакрученной осесимметричной и закрученной периферийной, происходит дополнительная турбулизация потока, что позволяет повысить равномерность профиля осевой скорости струи перед поверхностью, на которую осуществляется натекание, и интенсифицировать среднюю и локальную теплоотдачу.
Закручивающее устройства выполнено в виде осесимметричного полого тела, в приосевой части которого размещено центральное осесимметричное сопло. Внутренняя поверхность закручивающего устройства, выполненного в виде осесимметричного полого тела, образует с наружной поверхностью центрального осесимметричного сопла периферийное кольцевое сопло, а закрутка потока осуществляется при помощи выполненных в закручивающем устройстве нескольких тангенциальных подводов.
Сущность предлагаемого способа и устройства для его реализации поясняется на чертеже.
На чертеже изображена комбинированная струя, состоящая из закрученного кольцевого потока 1 и незакрученной осесимметричной струи 2, натекающая на охлаждаемую поверхность 3.
Способ охлаждения осуществляется следующим образом. На охлаждаемую поверхность 3 направляется закрученная струя, в центральную часть которой подается незакрученная осесимметричная струя 2, тем самым формируется комбинированная струя, периферийная часть которой представляет собой закрученный кольцевой поток 1, в приосевой части которого движется незакрученная осесимметричная струя 2. Истекая в пространство перед охлаждаемой стенкой, закрученный кольцевой поток 1 и незакрученная осесимметричная струя 2 взаимодействуют между собой, при этом происходит расширение комбинированной струи, увеличение скорости в центральной части струи и выравнивание эпюры осевой скорости. Струя, натекая на охлаждаемую поверхность 3, осуществляет теплосъем, при этом она разворачивается и продолжает движение в виде радиального пристеночного потока.
Устройство представляет собой комбинированный насадок и содержит закручивающее устройство 4 и размещенное в приосевой его части центральное осесимметричное сопло 5. Закручивающее устройство выполнено в виде осесимметричного полого тела. Периферийное кольцевое сопло образовано наружной поверхностью центрального осесимметричного сопла 5 и внутренней поверхностью закручивающего устройства 4, имеющего несколько тангенциальных подводов.
Принцип работы устройства, реализующего предлагаемый способ струйного охлаждения поверхностей, заключается в следующем. Комбинированная струя создается насадком, имеющим центральное осесимметричное и периферийное кольцевое сопла. Часть охлаждающего потока подается на вход в центральное осесимметричное сопло, из которого истекает в виде незакрученной осевой струи 2. Остальная часть охлаждающего потока поступает в периферийное кольцевое сопло, образованное наружной поверхностью центрального осесимметричного сопла 5 и внутренней поверхностью закручивающего устройства 4, через несколько тангенциальных подводов закручивающего устройства, тем самым приобретает закрутку, истекая в виде закрученного кольцевого потока 1.