Способ интенсификации конвективного теплообмена
METHOD FOR INTENSIFYING CONVECTIVE HEAT TRANSFER

Изобретение относится к способу интенсификации конвективного теплообмена.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ интенсификации конвективного теплообмена путем перемещения каждой теплообменивающейся среды по осесимметричным каналам переменного сечения, образованным продольно-волнистым ребрами с чередованием двухстороннего отсоса пограничного слоя с двухсторонним вдувом (см. А.с. №285938, МПК F28f3/02, F28f13/02 Способ интенсификации конвективного теплообмена. // Кирпиков В. А., Гутарев В. В., Лейфман И.И. - Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР. 1971) и принятый за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится большой расход теплоты, используемой для подогрева нагреваемой среды (воздуха).
Сущность изобретения заключается в экономии теплоты, используемой для подогрева нагреваемой среды (воздуха).
Технический результат - повышение интенсивности и эффективности теплообмена, повышение эффективности передачи теплоты от стенок каналов к нагреваемой среде, а также экономия теплоты, используемой для подогрева нагреваемой среды (воздуха).
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе интенсификации конвективного теплообмена, в котором путем перемещения каждой теплообменивающейся среды по осесимметричным конфузорно-диффузорным каналам переменного сечения, образованным продольно-волнистыми ребрами с чередованием в каждом канале двухстороннего отсоса пограничного слоя с двухсторонним вдувом последнего из смежного канала, вследствие знакопеременных изменений давления в каналах по ходу движущейся среды, величину вдува и отсоса регулируют углом раскрытия продольно-волнистых ребер в пределах от 0° до 5°, а на поток теплообменивающейся среды накладывают пульсации в виде гармоничных колебаний посредством резонатора при прохождении потоком через правый и левый каналы с разными диаметрами, образованными расположением разделителя потока на входе конфузорно-диффузорных каналов.
Закон, по которому изменяют расход пульсирующего потока, записан в виде: ,
3
2
- расход, м/с;  - площадь сечения, м;  - начальная скорость м/c;  - амплитуда пульсаций, м;  - время, с;  - частота, Гц;  - число  3,14.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - теплообменный элемент, иллюстрирующий предлагаемый способ интенсификации конвективного теплообмена: 1 - конфузорно-диффузорный канал, 2 - нижняя пластина, 3 - верхняя пластина, 4 - продольно-волнистое ребро;
на фиг. 2 - разрез теплообменного элемента: 1 - конфузорно-диффузорный канал, 2 - нижняя пластина, 3 - верхняя пластина, 4 - продольно-волнистое ребро, 5 - прорезь, 6 - пульсатор, 7 - правый полукольцевой канал, 8 - левый полукольцевой канал, 9 - резонатор, 10 - разделитель;
на фиг. 3 - распределение коэффициента теплоотдачи по длине канала: a - прямой канал, b - конфузорно-диффузорный канал, c - конфузорно-диффузорный канал при наложенных пульсациях (ускорение), d - конфузорно-диффузорный канал при наложенных пульсациях (торможение).
Фиг. 3 иллюстрирует результаты исследования теплообмена в конфузорно-диффузорных каналах с пульсациями (торможение и ускорение потока) и без них и в прямом канале без пульсации.
Теплообменный элемент для осуществления предлагаемого способа интенсификации конвективного теплообмена содержит конфузорно-диффузорные каналы 1, образованные нижней пластиной 2, верхней пластиной 3 и продольно-волнистыми ребрами 4, имеющими прорези 5, через которые осуществляется вдув (отсос) потока воздуха для интенсификации теплообмена. На входах конфузорно-диффузорных каналов 1 установлены пульсаторы 6, сформированные из правого полукольцевого канала 7, левого полукольцевого канала 8, установленного между ними разделителя 10 и резонатора 9, представляющего собой тонкую пластинку, закрепленную на стенке конфузорно-диффузорного канала 1за полукольцевыми каналами.
Пульсаторы 6 могут быть изготовлены из металлов, сплавов или других коррозионно-устойчивых материалов.
Разделитель 10 выполнен из коррозионно-устойчивых материалов в виде треугольной призмы со скругленными углами.
При реализации предлагаемого способа интенсификации конвективного теплообмена нагреваемая среда (воздух) подается в конфузорно-диффузорные каналы 1. Воздух входит в конфузорно-диффузорные каналы 1, проходит через пульсаторы 6, работа которых заключается в создании пульсаций потока воздуха. Пульсации потока воздуха создаются за счет резонатора 9. Воздух входит в конфузорно-диффузорный канал 1, проходит полукольцевые каналы: правый полукольцевой канал 7 и левый полукольцевой канал 8, встречается с резонатором 9 и под действием потоков, прошедших через полукольцевые каналы и разделитель 10, резонатор 9 начинает колебаться. Колебания резонатора 9 возникают за счет того, что потоки воздуха, прошедшие через правый полукольцевой канал 7 и левый полукольцевой канал 8 имеют различные скорости из-за разного проходного сечения каналов. Так как конфузорно-диффузорный канал 1, соединенный с выходом пульсатора 6 выполнен в виде конфузора, образованного продольно-волнистыми ребрами 4, то давление за пульсатором 6 будет выше давления на начальном участке конфузорно-диффузорного канала 1. Поток воздуха за счет разности давлений пойдет от входа пульсатора 6 к конфузорно-диффузорному каналу 1 через продольно-волнистые ребра 4. Под действием пульсаторов 6 поток воздуха в конфузорно-диффузорном канале 1 приобретает пульсационный характер движения. Таким образом, в конфузорно-диффузорных каналах 1 реализуется пульсирующее течение нагреваемой среды, что приводит к интенсификации теплоотдачи от стенок каналов к нагреваемой среде (воздуха) и, соответственно, к более эффективному процессу передачи теплоты. Пульсации потока теплообменивающейся среды имеют вид гармонических колебаний.
Угол раскрытия продольных-волнистых ребер 4 составляет от 0 до 5°, так как по данным исследованиям [1, 2] при таком угле раскрытия интенсивность теплообмена максимальна.
Результаты исследования роста эффективности теплообмена представленные на фиг.3 показывают, что интенсивность теплообмена в конфузорно-диффузорных каналах в 1,8 раз выше, чем в прямых каналах. При этом наложенные пульсации потока в конфузорно-диффузорных каналах ведет к росту теплообмена 1,5 раза.
Список литературы
1. Терехов В.И., Богатко Т.В. Особенности теплообмена в осесимметричном диффузоре после внезапного расширения трубы // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2015. №1 (16) . С. 95-100.
2. Петрова Н.П., Цынаева А.А. Численное исследование теплообмена в канале теплообменника с градиентом давления // Тепловые процессы в технике. 2019. Т. 11, № 12. С. 532–540.