Теплообменная поверхность
HEAT EXCHANGE SURFACE

Изобретение относиться к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники.
Известна поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена (Патент РФ №2425260. Заявка 2009111020/06 от, 31.08.2006. Опубликовано 27.07.2011 Бюл. №21). Поверхность характеризуется тем, что на гладкой поверхности с защитным слоем или без него выполнены углубления, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми и вогнутыми поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углубления с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклых поверхностей образующих скаты, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем.
к
к
Известна теплообменная поверхность с траншейными углублениями (Патент РФ №2684303. Заявка 2018121892 от 13.06.2018. 05.04.2019 Бюл. №10). Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя характеризуется тем, что выполнена в виде периодически нанесенных углублений, отличающаяся тем, что углубления сформированы овально-траншейной формы, состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрической вставкой длиной l, развернутых под углом ϕ к набегающему потоку, с геометрическими соотношениями: l/b=4,7-5,78 или l/b=5,57-6,78; ϕ=45°; h/b=0,18-0,37; r=0,025b; l - длина цилиндрической части углубления, мм; l - длина углубления, мм; h - глубина, мм; b - ширина углубления, мм; r - радиус скругления кромок углубления, мм; ϕ - угол натекания потока на углубление, градусы.
Анализ результатов численных исследований (Isaev, S.A., Leontiev, A.I., Milman, О.О., Popov, I.A., Sudakov, A.G. Influence of the depth of single-row oval-trench dimples inclined to laminar air flow on heat transfer enhancement in a narrow micro-channel // International Journal of Heat and Mass Transfer. May 2019, Pages 338-358; Isaev, S., Leontiev, A., Chudnovsky, Y., Nikushchenko, D., Popov, I., Sudakov, A. Simulation of vortex heat transfer enhancement in the turbulent water flow in the narrow plane-parallel channel with an inclined oval-trench dimple of fixed depth and spot area // Energies, Volume 12, Issue 7, 4 April 2019, paper №1296) картин растекания и полей локальных коэффициентов теплоотдачи в удлиненных овально траншейных выемок, сформированных по рекомендациям (Теплообменная поверхность / С.А. Исаев, А.И. Леонтьев, П.А. Баранов, И.А. Попов, А.В. Щелчков, Ю.Ф. Гортышов, А.Н. Скрыпник, А.А. Миронов // Патент РФ №2684303. Заявка 2018121892 от 13.06.2018. 05.04.2019 Бюл. №10), выявил, что в области крайней по ходу течения кромки выемки возникают области с пониженными скоростями и малыми локальными коэффициентами теплоотдачи. Как показано, удлинение выемки, а значит появление данных областей, неизбежно, но необходимы решения по повышению скорости течения и, как следствие, локальных коэффициентов в них.
гл
гл
гл
х
хгл
х
хгл
х
хгл
гл
x
хгл
гл
x
хгл
гл
x
хгл
6
6
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению являются теплообменные поверхности с углублениями, полученными протяжкой сферической выемки по дуге окружности (Киселев Н.А., Бурцев С.А., Стронгин М.М., Виноградов Ю.А. Экспериментальное исследование теплообмена и сопротивления лунок сложной формы // Труды Юбилейной конференции Национального комитета РАН по тепло- и массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы тепломассообмена» и XXI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассобмена в энергетических установках». Том. 2.: М.: Издательский дом МЭИ, 2017. с. 124-127.). Результаты исследований теплообменных поверхностей с данными углублениями показывают повышение тепловой эффективности до St/St=1,2 по сравнению с гладким каналом, что выше достигнутых значений для сферических углублений (St/St=1,18) и овальных углублений (St/St=1,175) при турбулентном режиме течения (Re=4⋅10). Однако трение поверхностей с углублениями, полученными протяжкой сферической выемки по дуге окружности, повышается до с/с=1,27 по сравнению с гладкой поверхностью. Для сравнения, повышение коэффициентов трения поверхностей со сферическими углублениями составляет с/с=1,27 и овальными углублениями - с/с=1,1, при турбулентном режиме течения (Re=4⋅10). Такое сочетание повышения тепловой эффективности и роста коэффициентов трения позволяет достичь повышения теплогидравлической эффективности (фактора аналогии Рейнольдса) для поверхностей с углублениями, полученными протяжкой сферической выемки по дуге окружности, (St/St)/(c/c)=0,97, для поверхностей с овальными углублениями - (St/St)/(c/c)=0,82, для поверхностей со сферическими углублениями - (St/St)/(c/c)=1,07.
Однако известные теплообменные поверхности характеризуются низкой тепловой и теплогидравлической эффективностью, а также высокими потерями энергии потока на трение.
гл
гл
x
xгл
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение тепловой эффективности теплообменной поверхности с углублениями (St/St>1) относительно гладкостенной теплообменной поверхности при меньшем приросте гидравлического сопротивления (St/St)>(c/c). Техническим результатом является повышение теплогидравлической эффективности теплообменной поверхности.
Технический результат достигается за счет того, что теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных углублений овально-дуговой формы, состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрическим торообразным сегментом длиной l, отличающаяся тем, что касательная к направляющей кривой к вышеупомянутому сегменту составляет угол ϕ=45° по отношению к направлению потока в начале углубления и угол ϕ=0° в конце углубления (фиг. 1) с геометрическими соотношениями:
к
l/b=4,7-5,78 или l/b=5,57-6,78;
h/b=0,18-0,37;
r=0,025b;
l - длина цилиндрической части углубления, мм;
к
l - длина углубления, мм;
h - глубина углубления, мм;
b - ширина углубления, мм;
r - радиус скругления кромок углубления, мм;
ϕ - угол между направлением потока и касательной к направляющей кривой торообразного сегмента.
Перечень фигур:
На фигуре 1 представлена схема углубления на теплообменной поверхности с условным обозначением геометрических размеров и направление течения потока относительно теплообменной геометрии.
На фигуре 2 представлен поперечный разрез предлагаемой геометрии углубления в сечении А-А обозначенном на фигуре 1 с указанием условных обозначений геометрических размеров.
На фигуре 3 представлены линии тока при обтекании удлиненного овально-дугового углубления, полученные расчетным путем.
На фигуре 4 представлены поля локальных коэффициентов теплоотдачи поверхности с удлиненным овально-дуговым углублением, полученные расчетным путем.
Данная геометрия углублений является поверхностным генератором спиралевидных высокоинтенсивных моновихрей и позволяет повысить скорость вторичного течения до величин порядка характерной скорости потока в стесненном канале (среднемассовой или максимальной), что в несколько раз превышает скорости вторичного течения, индуцированные традиционными сферическими выемками, и отличается высокой стабильностью и интенсивностью вихревого течения в следе за ним по сравнению с аналогами в виде овальных выемок различного удлинения, предложенными в (Теплообменная поверхность / С.А. Исаев, А.И. Леонтьев, П.А. Баранов, И.А. Попов, А.В. Щелчков, Ю.Ф. Гортышов, А.Н. Скрыпник, А.А. Миронов // Патент РФ №2684303. Заявка 2018121892 от 13.06.2018. 05.04.2019 Бюл. №10), обеспечивая значительное превосходство удлиненных овально-дуговых углублений по тепловой и теплогидравлической эффективности.
Результаты численных исследований (Isaev, S.A., Leontiev, A.I., Milman, О.О., Popov, I.A., Sudakov, A.G. Influence of the depth of single-row oval-trench dimples inclined to laminar air flow on heat transfer enhancement in a narrow micro-channel // International Journal of Heat and Mass Transfer. May 2019, Pages 338-358; Isaev, S., Leontiev, A., Chudnovsky, Y., Nikushchenko, D., Popov, I., Sudakov, A. Simulation of vortex heat transfer enhancement in the turbulent water flow in the narrow plane-parallel channel with an inclined oval-trench dimple of fixed depth and spot area // Energies, Volume 12, Issue 7, 4 April 2019, paper №1296) картин растекания (фиг. 3) показали отсутствие застойных зон во второй половине углублений, а результаты численного прогнозирования и экспериментального исследования - увеличение локальных скоростей в ней и повышение локальных коэффициентов теплоотдачи (фиг. 4).
Результаты экспериментальных исследований подтвердили величины значений коэффициентов теплоотдачи и трения полученные расчетным путем. Исследования коэффициентов сопротивления и теплоотдачи проводилось как при течении воды, так и воздуха в каналах со стенкой, покрытой одно- и многорядными системами овально-траншейных и удлиненных овально-дуговых углублений. Установлено, что коэффициенты гидравлического сопротивления канала с односторонним расположением удлиненных овально-дуговых углублений h/b=0,5; l/b=7 на 10-13% ниже, чем у канала с односторонним расположением системы овально-траншейных выемок и на 20-25% ниже чем для поверхности с углублениями, полученными протяжкой сферической выемки по дуге окружности тех же относительных размеров при расположении к потоку входных кромок 45°. Исследование теплоотдачи на поверхностях с одно- и многорядными системами овально-траншейных и удлиненных овально-дуговых углублений показало, что средняя разница температур поверхности и потока при фиксированном тепловом потоке для систем овально-дуговых выемок на 5-20% ниже при различных скоростях потока, чем для поверхностей с овально-траншейными выемками и на 20-40% ниже чем для поверхности с углублениями, полученными протяжкой сферической выемки по дуге окружности.
к
Таким образом, сравнение предлагаемой конструкции теплообменной поверхности по теплогидравлической эффективности (критерию аналогии Рейнольдса) с овально-траншейными углублениями и с углублениями, полученными протяжкой сферической выемки по дуге окружности показывает их преимущество при соблюдении геометрических соотношений размеров углубления: l/b=4,7-5,78 или l/b=5,57-6,78; ϕ=45°; h/b=0,18-0,37; r=0,025b.