ТЕПЛООБМЕННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ НИКОЛАЕНКО

Теплообменная поверхность Николаенко относится к области теплотехники, преимущественно к конструкциям теплообменных поверхностей, которые используются в теплопередающих и теплообменных устройствах для передачи тепловых потоков с помощью принудительной конвекции.
При конструировании теплопередающих и теплообменных устройств для повышения эффективности теплообмена известно использование теплообменных поверхностей, которые выполнены в виде тонких пластин из теплопроводного материала с углублениями в виде ямок и прилегающих к ним канавок, размещенных рядами (см. патент Украины на изобретение №13888А МПК5 F28F 1/10, 3/02, опубл. 25.04.1997 г., бюл. №2). При омывании такой поверхности теплоносителем в ее углублениях образовываются вихри, которые интенсифицируют процесс теплообмена с поверхности. Однако выполнение такого профиля теплообменной поверхности в металлическом основании значительной толщины, например, в основании толщиной 3-5 мм связано с определенными технологическими трудностями.
Известна также теплообменная поверхность в виде основания из теплопроводного материала с пучками гибких проводов, размещенными вокруг участка для тепловыделяющего элемента (см. а.с. СССР №1444975 А1, МПК Н05К 7/20, опубл. 15.12.1988 г. Б.И. №46). Указанная поверхность имеет сложную конструкцию, что создает определенные технологические трудности при ее изготовлении.
Известна другая теплообменная поверхность, которая содержит элементы турбулизации потока теплоносителя, выполненные в виде параллельных выступов и размещенных между ними канавок (см. а.с. СССР №1776970 А1, F28F 1/42, опубл. 23.11.1992 г. Б.И. №43). Указанная поверхность имеет также сложную конструкцию, изготовление которой связано с технологическими трудностями.
Известны теплообменные. поверхности, которые имеют цилиндрическую заготовку в виде трубы из теплопроводного материала, на внешней поверхности которой выполненные продольные ребра (см. статью Кремнев О.А., Кукушка Н.В., Хавин А.А. Продольнооребренные трубчатые поверхности для регенераторов и водоподогревателей г.т.у.» в журнале «Энергомашиностроение», 1961, №1, с.5-8, рис.1). Такие поверхности широко используются в теплообменных аппаратах, но их сложно применять для отвода теплоты от теплонагруженных элементов с плоским основанием.
Известна конструкция теплообменной поверхности, содержащая основание в виде пластины плоской формы, на которой под прямым углом закреплены решетки из металлических проводов, например, в виде сетки (см. а.с. СССР №1485329, МПК H01L 23/36, H05K 7/20, опубл. 07.06.1989 г. Б.И. №21). Решетки прикреплены к основанию одними концами и размещены равномерно на одной торцевой поверхности основания параллельно между собой и под прямым углом к направлению потока охлаждающей среды. Недостатком такой теплообменной поверхности являются технологические трудности при изготовлении и необходимость обеспечения надежного теплового контакта в местах пересечения проводов сетки между собой.
Наиболее близкой к предложенному техническому решению по совокупности признаков и техническому результату является конструкция теплообменной поверхности, содержащая основание из теплопроводного материала, на котором с обеспечением теплового контакта выполнены ребра из теплопроводного материала (см. книгу: А.Д.Фролов. Теоретические основы конструирования и надежности радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Высшая школа, 1970, с.295-296, рис.7.28), которая выбрана за прототип. Ребра имеют форму прямоугольных пластин и размещены с зазором между собой, величина которого превышает толщину ребра и составляет 4...6 мм (см. с.296 указанной книги). Такая теплообменная поверхность позволяет при принудительной конвекции обеспечить турбулентный режим движения теплоносителя между ребрами и таким образом повысить интенсивность процесса теплообмена. Как правило, такие теплообменные поверхности изготавливают фрезерованием или с помощью литья из алюминиевых сплавов.
Недостатком таких теплообменных поверхностей является необходимость создания значительной скорости и, соответственно, затрат теплоносителя для обеспечения турбулентного режима течения, при котором достигается повышение
коэффициента теплоотдачи с поверхности теплообмена, что требует значительных энергозатрат на его подачу, поскольку известно (см. книгу А.Д.Краус. Охлаждение электронного оборудования. - Л.: Энергия, 1971, с.88), что удвоение коэффициента теплоотдачи требует увеличения скорости циркуляции теплоносителя больше чем в два раза, а для удвоения скорости необходимо увеличение напора в четыре раза, а затрат мощности в восемь раз.
В основу полезной модели поставлена задача создать такую конструкцию теплообменной поверхности, которая бы обеспечила повышение эффективности теплообмена при принудительной конвекции теплоносителя при одновременном снижении затрат теплоносителя и энергозатрат на его подачу.
Поставленная задача решается за счет того, что в теплообменной поверхности, содержащей основание из теплопроводного материала и выполненные на ней ребра из теплопроводного материала, размещенные с зазором между собой, величина зазора между ребрами меньше, чем толщина ребра, и находится в пределах от 0,1 до 0,5 мм включительно, а толщина каждого ребра выбрана в пределах от 0,6 до 2 мм включительно. Основание и ребра могут быть выполнены как одно целое.
При выбранных таким образом значениях геометрических размеров теплообменной поверхности при принудительной конвекции в зазорах наблюдается ламинарный режим течения при минимальных скоростях и затратах теплоносителя, а коэффициент теплоотдачи, который в данном решении определяется теплопроводностью и толщиной тонкого слоя теплоносителя на нагретой поверхности, приближается к значениям, присущим кипению в большом объеме.
Конструкция предложенной теплообменной поверхности Николаенко схематично показана на фиг.1.
Теплообменная поверхность Николаенко содержит основание 1, выполненное, например, в виде пластины толщиной 3 мм из теплопроводного материала, например алюминия или его сплава, и установленные на основании под прямым углом к нему с обеспечением теплового контакта ребра 2. Ребра 2 размещены на основании 1 с зазором 3 между собой. Тепловой контакт между основанием и ребрами может быть выполнен, например, за счет изготовления теплообменной поверхности методом экструзии или литьем под давлением с одновременным получением как одного целого и основания и ребер, или за счет сваривания или пайки между собой отдельно изготовленных ребер и основания. Величина зазора между ребрами меньше, чем толщина ребра. Толщина а каждого
ребра 2 находится в пределах от 0,6 до 2 мм включительно, а величина б зазора 3 между ребрами 2 составляет от 0,1 до 0,5 мм включительно. Высота каждого ребра в конкретном варианте выполнения определяется путем расчетов по известным из основ теплопередачи формулам для расчета эффективности ребра и может быть выбрана в пределах, например, от 3 до 10 мм (в зависимости от конкретного значения величины зазора и толщины ребра в конкретной конструкции теплообменной поверхности).
Основание и ребра могут быть выполнены как одно целое. Теплообменная поверхность Николаенко работает следующим образом. К основанию 1 подводят внешний тепловой поток, который нагревает ее. Сквозь зазоры 3 между ребрами 2 под действием необходимого избыточного давления подают теплоноситель, например дистиллированную воду, с температурой на входе, ниже температуры основания. При этом сверху теплообменную поверхность герметически закрывают кожухом (на фиг.1 кожух не показан). Теплота от основания 1 теплопроводностью материала ребер передается к боковой поверхности ребер 2 и нагревает ее. За счет выбранного диапазона значений толщины а ребра от 0,6 до 2 мм включительно достигается их достаточная эффективность, благодаря чему температура поверхности ребер при их высоте от 3 до 10 мм близка к значению температуры основания. Вследствие разности температур боковой поверхности ребер и жидкого теплоносителя (воды) начинает происходить конвективный теплообмен между ними. Благодаря выбранной величине зазора 3 в пределах от 0,1 до 0,5 мм включительно обеспечивается передача теплоты от боковой поверхности ребер к жидкому теплоносителю в зазоре через тонкий слой жидкости, который формируется соседними ребрами и потому равняется половине величины зазора. При этом коэффициент теплоотдачи определяется теплопроводностью жидкости и толщиной ее слоя возле нагретой поверхности ребер. Поскольку величина зазора выбрана в пределах от 0,1 до 0,5 мм, толщина слоя жидкости возле поверхности ребра составляет от 0,05 до 0,25 мм. Таким образом тепловой поток эффективно отводится от основания 1 к потоку воды в зазорах 3 теплообменной поверхности при ее принудительной конвекции сквозь щелевые зазоры теплообменной поверхности.
При заявленных размерах зазоров объемные расходы жидкого теплоносителя через зазоры для обеспечения ламинарного режима течения составляют единицы-десятки
4
3
мл/с, в то время, как в прототипе, например, для обеспечения турбулентного режима течения воды (критерий Рейнольда равняется 10) для обеспечения необходимой скорости воды (0,8...0,6 м/с) в зазорах величиной 4...6 мм между ребрами высотой 10 мм нужен расход теплоносителя на два-три порядка больше (около 5·10 мл/с).
Заявленная конструкция теплообменной поверхности Николаенко, благодаря выполнению щелевых зазоров между ребрами от 0,1 до 0,5 мм включительно и уменьшению толщины слоя теплоносителя возле нагретой боковой поверхности ребер, соответственно, до 0,05...0,25 мм, позволяет существенно повысить коэффициент теплоотдачи от поверхности ребер, увеличить количество ребер на единице поверхности основания и за счет этого увеличить общую площадь поверхности теплообмена и количество отводимой теплоты.
4
4
2
Значительное повышение коэффициента теплоотдачи с поверхности ребер, размещенных между собой с зазором с 0,1 до 0,5 мм, и низкий расход теплоносителя подтверждается экспериментально (см. статью Ю.Е.Николаенко, Э.С.Малкин, И.Э.Фуртат, Т.Ю.Николаенко. Экспериментальное исследование одноканального щелевого теплообменника жидкостной системы охлаждения для микропроцессора // Технологические системы. - 2007. - №4. - С.54-62, рис.6 и табл.1). Из приведенного на рис.6 указанной статьи графика (кривая 1) видно, что коэффициент теплоотдачи увеличивается с 0,5·10 до 2,4·10 Вт/(м °С) с «уменьшением величины щелевого зазора с 0,5 до 0,1 мм соответственно. При этом расход теплоносителя (см. табл.1 указанной статьи) составляет лишь от 0,3 до 17,1 мл/с.
Нижняя граница зазора (0,1 мм) ограничена резким ростом гидравлического сопротивления и технологическими трудностями выполнения зазоров с меньшей величиной. Верхняя граница (0,5 мм) обусловлена тем, что дальнейшее увеличение величины зазора приводит к дальнейшему увеличению толщины слоя теплоносителя возле боковой поверхности ребер и снижению коэффициента теплоотдачи при одновременном увеличении необходимого расхода теплоносителя.
Практическое изготовление заявленной теплообменной поверхности Николаенко возможно, например, методом экструзии, способом выдавливания, методом литья под давлением, путем набора из отдельных пластин-ребер с прокладками между ними и паянием припоем или свариванием, методом прессования и другими возможными способами.
В других вариантах выполнения в пределах одной теплообменной поверхности возможно выполнение ребер разной толщины и зазоров разной величины в пределах значений, указанных в формуле полезной модели и данном описании, а также ребер разной длины. Ребра могут размещаться под углом к основанию, отличным от прямого. Ребра могут быть выполнены из материала, отличного от материала основания. Форма основания может быть отличной от прямоугольной, например круглой, овальной, треугольной, многоугольной, в виде трубы и т.п.
Таким образом, предложенная теплообменная поверхность Николаенко является новой, имеет изобретательский уровень, является промышленно пригодной и позволяет повысить интенсивность теплообмена при одновременном существенном уменьшении расхода теплоносителя и может быть использована при создании теплопередающих и теплообменных устройств, например теплообменников для охлаждения мощных микропроцессоров и других тепловыделяющих устройств.