ТЕПЛООБМЕННИК

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к теплообменнику с оребренными трубами.
Уровень техники
Теплообменники с оребренными трубами используют для переноса тепла между охлаждающей жидкостью, протекающей через трубы, и окружающей средой. Теплообменник с оребренными трубами состоит из нескольких труб, которые расположены между первым и вторым коллекторами, при этом трубы взаимодействуют с группой ребер, что обеспечивает большую площадь поверхности. Охлаждающая жидкость течет по трубам от одного коллектора к другому, а ребра взаимодействуют с воздухом окружающей среды. Трубы и ребра изготовлены из материала, имеющего высокую теплопроводность, что обеспечивает эффективный перенос тепла между охлаждающей жидкостью и воздухом окружающей среды. Коллекторы обычно крепятся к резервуарам, в которых находится охлаждающая жидкость, поступающая в теплообменник и выходящая из него.
Прежде чем тепло будет передано от труб и ребер воздуху, необходимо обеспечить перенос тепловой энергии от охлаждающей жидкости трубам и ребрам. Для увеличения количества тепла, передаваемого от охлаждающей жидкости трубам и ребрам, предлагались различные типы труб и ребер, однако различные конструкции функционируют по-разному при разных скоростях потока. В теплообменниках с оребренными трубами используют как трубы с плоскими стенками, так и трубы с углублениями, выступающими внутрь трубы.
При низкой скорости потока охлаждающей жидкости и ламинарном потоке разница между количеством тепла, передающегося от теплообменника с оребренными плоскими трубами или трубами с углублениями, незначительна. При увеличении скорости поток охлаждающей жидкости входит в переходную фазу между ламинарным и турбулентным потоком, при этом перенос тепла от охлаждающей жидкости стенкам труб и ребрам у труб значительно выше для труб с углублениями. Увеличение переноса тепла достигается при использовании в теплообменнике труб с углублениями, а не плоских труб, потому что наличие углублений приводит к закручиванию потока, создавая завихрения, что увеличивает турбулентность и перенос тепла.
В качестве ближайшего аналога может быть выбрана конструкция, описанная в публикации патента США №6,289,982 от 18.09.2001, в которой трубы теплообменника содержат углубления, имеющие хаотическое распределение по поверхности. Однако при турбулентном потоке теплопередача от охлаждающей жидкости стенкам труб и ребрам у плоских труб значительно выше, чем у труб с углублениями. Более высокая теплопередача у теплообменника с плоскими трубами, чем у теплообменника с трубами с углублениями, связана с тем, что поток уже имеет существенное возмущение, а углубления на стенках труб с углублениями уменьшают площадь контакта между трубами и ребрами, что количество тепла, передаваемое между трубами и ребрами. Уменьшение переноса тепла от труб к ребрам значительно снижает общее количество тепла, передающегося от охлаждающей жидкости теплообменника в окружающую среду.
Таким образом, необходима конструкция теплообменника, имеющего свойства труб с углублениями при переходном потоке и свойства плоских труб при турбулентном потоке.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является увеличение теплопередачи в оребренном теплообменнике как при турбулентном, так и при переходном потоке охлаждающей жидкости.
Для достижения указанного эффекта предложена конструкция теплообменника, который содержит первый и второй коллекторы, имеющие множество расположенных между ними удлиненных труб, взаимодействующих с группой ребер. При этом трубы имеют множество участков с углублениями, расположенными с неравномерной плотностью, чередующихся с множеством гладких участков, что позволяет эффективно переносить тепло между жидкостью, текущей по каждой трубе, и стенкой трубы при ламинарном, переходном и турбулентном типах потока.
Участки с углублениями имеют первый конец и второй конец, при этом плотность расположения углублений постепенно снижается по направлению движения потока жидкости от первого конца ко второму концу.
Каждая из труб может иметь по крайней мере три участка с углублениями и по крайней мере три гладких участка.
Углубления на участках с углублениями могут быть расположены по группам.
Удлиненные трубы могут быть изготовлены из алюминия.
Теплообменник может содержать два резервуара, прикрепленных к первому и второму коллекторам, и в которых собирается жидкость, протекающая через удлиненные трубы.
Резервуары коллекторов могут быть изготовлены из пластика или из алюминия. Жидкость попадает в теплообменник со стороны первого коллектора, течет по трубам и выходит из теплообменника со стороны второго коллектора.
Участки с углублениями могут иметь длину L, величина которой составляет от 10 мм до 200 мм.
Гладкие участки могут иметь длину M, величина которой составляет от 10 мм до 200 мм.
В другом варианте первый и второй резервуары коллекторов могут иметь каналы, прикрепленные к первому и второму коллекторам и предназначенные для сбора жидкости, входящей и выходящей из теплообменника.
Чередующиеся участки с углублениями и плоские участки в трубах позволяют эффективно переносить тепло от охлаждающей жидкости, протекающей по трубам, стенкам и ребрам при ламинарном, переходном и турбулентном типах потока. Охлаждающая жидкость течет по трубам от одного коллектора к другому, при этом ребра взаимодействуют с воздухом окружающей среды.
Трубы и ребра изготовлены из материала, имеющего высокую теплопроводность, что позволяет эффективно переносить тепло между охлаждающей жидкостью, находящейся в трубах, трубам и ребрам, а также воздуху окружающей среды. Теплообменник также может работать и в обратном режиме, когда тепло поступает из окружающей среды к трубам и ребрам и к охлаждающей жидкости, которая течет по трубам, т.е. его можно использовать как испаритель в системе кондиционирования воздуха.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлен изометрический вид теплообменника, при этом показаны не все трубы, а для упрощения изображения увеличено расстояние между секциями ребер, сложенных «гармошкой».
На Фиг. 2 представлен частичный изометрический вид коллектора, труб и ребер теплообменника в поперечном разрезе по линии 2-2 с Фиг. 1.
На Фиг. 3 представлен продольный вид трубы в поперечном разрезе по линии 3-3 с Фиг. 2;
На Фиг. 4 представлен вид сверху трубы, имеющей участки с углублениями, плотность которых постепенно уменьшается, чередующиеся с плоскими участками;
На Фиг. 5 представлен график, на котором показано изменение плотности расположения углублений в трубе с Фиг. 4 по всей длине, которая отложена по оси X;
На Фиг. 6 представлен вид сверху трубы, имеющей сгруппированные участки с углублениями, чередующиеся с плоскими участками;
На Фиг. 7 представлена диаграмма плотности расположения углублений в трубе с Фиг. 6 по всей длине, которая отложена по оси X;
На Фиг. 8 представлен график сравнения относительной способности к теплообмену труб с углублениями, плоских труб и труб, имеющих чередующиеся участки с углублениями и плоские участки, при ламинарном, переходном и турбулентном типах потока.
Осуществление полезной модели
Далее представлено подробное описание вариантов осуществления полезной модели. Описанные варианты приведены исключительно в качестве примеров, которые могут быть воплощены в различных формах. Фигуры необязательно выполнены в масштабе. Некоторые элементы могут быть увеличены или уменьшены с целью изображения деталей конкретных компонентов. Конкретные конструкционные и функциональные особенности, изложенные в данном описании, не должны рассматриваться как ограничение, и приведены лишь в качестве иллюстрации для ознакомления специалистов в данной области техники с вариантами реализации предложенного решения.
На Фиг. 1 представлен теплообменник 10, соответствующий полезной модели. Теплообменник 10 состоит из нескольких удлиненных труб 12, которые расположены между двумя коллекторами 14, при этом трубы 12 соединены с группой ребер 16. В предпочтительном варианте охлаждающая жидкость течет по трубам 12 от одного коллектора 14 к другому по одному каналу. Однако полезная модель не ограничивается использованием одного канала, по которому движется поток, следует понимать, что она может предполагать и другие варианты воплощения, с несколькими каналами. Кроме того, в предпочтительном варианте ребра 16, расположенные между соседними трубами, могут быть сложены «гармошкой» и взаимодействовать с воздухом окружающей среды. Однако полезная модель не ограничивается расположением ребер в форме «гармошки», следует понимать, что могут быть использованы и другие варианты конфигурации ребер, например, трубы и ребра могут перекрещиваться друг с другом. Трубы 12, коллекторы 14 и ребра 16 предпочтительно изготовлены из материала, имеющего высокую теплопроводность, включая, но не ограничиваясь этим, алюминий, медь, латунь или сталь. Как правило, для соединения труб 12 и коллекторов 14 используется процесс пайки. Два резервуара 18 прикреплены к коллекторам 14 и используются для сбора охлаждающей жидкости, входящей и выходящей из теплообменника 10 через каналы 20. Предпочтительно, чтобы резервуары 18 коллектора были изготовлены из легкого коррозионностойкого материала, например, из пластика. Однако резервуары 18 коллектора не ограничены только легким пластиком, они могут быть изготовлены из других материалов, например, из алюминия, стали или таких медных сплавов, как латунь.
Как показано на Фиг. 2, удлиненные трубы 12 имеют внешнюю ширину W и внешнюю высоту H. Предпочтительно, чтобы ширина W удлиненных труб 12 составляла от 10 мм до 40 мм, а высота H - от 1 мм до 2,5 мм. Предпочтительно, чтобы толщина материала удлиненных труб 12 составляла от 0,15 мм до 0,35 мм. Толщина материала коллекторов должна составлять примерно 1,5 мм, а толщина материала ребер 16 должна составлять от 0,05 мм до 0,10 мм. Предпочтительно, чтобы высота ребер составляла от 4 мм до 9 мм. Высота ребер должна быть приблизительно равна расстоянию между двумя соседними удлиненными трубами 12 в соответствии с изображенной конструкцией ребер.
На Фиг. 2 и 3 показано, что углубления 22 выполнены таким образом, что выступают во внутреннее пространство удлиненных труб 12. Углубления 22 увеличивают перенос тепла при переходном потоке за счет возмущения охлаждающей жидкости. Возмущение показано круговыми стрелками на Фиг. 3.
Обращаясь к Фиг. 4 и 6, можно увидеть, что удлиненную трубу 12 можно разделить на чередующиеся участки 24 с углублениями и плоские участки 26. Плоские трубы имеют более высокую теплопроводность по сравнению с трубами с углублениями при турбулентном потоке.
Также на Фиг. 4 и 6 изображен предпочтительный вариант расположения чередующихся участков 24 с углублениями и плоских участков 26, который позволяет использовать преимущества труб с углублениями и плоских труб при переносе тепла как при переходном, так и при турбулентном потоке. Участки с углублениями имеют длину L, плоские участки имеют длину M. В предпочтительном варианте реализации длины L и M могут составлять от 10 мм до 200 мм, предпочтительно, чтобы длина составляла от 35 мм до 75 мм.
На Фиг. 4 и 5 показан вариант осуществления полезной модели, в котором предусмотрены чередующиеся участки 24 с углублениями и плоские участки 26 удлиненных труб 12, при этом плотность расположения углублений 22 на участках 24 постепенно уменьшается в направлении оси X. На Фиг. 5 представлено графическое представление части удлиненной трубы 12, при этом в направлении оси X плотность расположения углублений линейно уменьшается на каждом участке 24 с углублениями, а на плоском участке плотность расположения углублений равна нулю.
На Фиг. 6 и 7 показан альтернативный вариант осуществления полезной модели, в котором предусмотрены чередующиеся участки 24 с углублениями и плоские участки 26 удлиненных труб 12. Углубления 22 расположены в виде нескольких групп, при этом количество углублений в каждой группе уменьшается по направлению оси X на каждом последующем участке 24 с углублениями. На Фиг. 5 представлено графическое представление части удлиненной трубы 12, показывающее группы с уменьшающимся количеством углублений на каждом участке 24 с углублениями, при этом в направлении оси X плотность расположения углублений между группами и на каждом плоском участке равна нулю.
Полезная модель не ограничивается описанными выше вариантами осуществления и включает в себя все варианты удлиненных труб 12, имеющих участки 24 с углублениями и плоские участки 26, где плотность расположения углублений на участках 24 с углублениями является неоднородной.
График на Фиг. 7 показывает относительную способность к теплообмену труб с углублениями, плоских труб и труб, имеющих чередующиеся участки с углублениями и плоские участки, при ламинарном, переходном и турбулентном типах потока.
Несмотря на то, что выше приведены конкретные иллюстративные варианты осуществления, они не дают исчерпывающее описание всех возможных форм реализации. Как было сказано выше, предложенное решение не ограничивается радиаторами, оно может относиться к теплообменнику, используемому в качестве конденсатора или испарителя в системе кондиционирования воздуха и т.д. Использованные термины носят описательный, а не ограничительный характер, и следует понимать, что в конструкции могут быть внесены различные изменения без отступления от сущности и объема предложенного решения. Также признаки различных вариантов выполнения могут быть объединены для создания дополнительных вариантов.