ТЕПЛООБМЕННИК С ПОВЫШЕННОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ

Полезная модель относится к области теплотехники, а более конкретно - к конструкциям теплообменников, применяемых для охлаждения или подогрева различных устройств.
Большинство известных конструкций теплообменников, как правило, основаны на конвективном способе передачи тепла от теплопередающего элемента пограничному слою. Далее, от пограничного слоя тепло передается соседним слоям, движущимся с различными скоростями, при этом вектор распространения тепла направлен перпендикулярно к стенкам канала в сторону центральной оси потока. По этой причине у стенки канала теплообмен наиболее интенсивен, а в соседних слоях он менее интенсивен.
Интенсивность теплоотвода увеличивается с увеличением скорости потока, особенно при появлении признаков турбулентности течения. Увеличение теплоотвода достигается также многочисленными техническими решениями, вызывающими в потоке вихревые течения или путем принудительного перемешивания теплоносителей.
Из уровня техники известны, в частности, решения, описанные в работе «Теплотехника», под общей редакцией проф. В.И.Крутова, М., Машиностроение, 1986, стр.133 [1], где представлены типичные конструкции рекуперативных теплообменных аппаратов (см. Фиг.1), а также решения, представленные в патенте РФ №2448318 [2] и в патенте РФ №2391613 [3]. В этих патентах используются теплопередающие элементы в форме каналов с развитой поверхностью, что позволяет некоторой части потока отклоняться от прямолинейного движения в боковые полости. В боковых полостях за счет возникающей вихревой циркуляции происходит более интенсивный теплоотвод, не достигающий, однако, максимальных значений по причине снижения скорости из-за резкого увеличения проходных сечений.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в том, чтобы заметно повысить эффективность процесса теплоотдачи, предпочтительно, без кардинального изменения конструкции изготавливаемых промышленностью теплообменников.
Технический результат достигается за счет применения теплообменника с измененной конфигурацией, теплопередающий элемент которого имеет форму канала, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью и снабженного на внутренней стороне устройствами, изменяющими направление движения рабочей среды, например, теплоносителя. При этом основным отличием заявляемой конструкции является то, что устройства, изменяющие направление движения теплоносителя выполнены в виде поперечных преград, форма которых обеспечивает возможность разбиения потока теплоносителя в месте образования пограничного слоя и последующего его отрыва от поверхности теплопередающего элемента.
Теоретическое обоснование перспективности такого технического решения содержится в ряде известных научных публикаций. В частности, в фундаментальной работе М.А.Михеев, И.М.Михеева «Основы теплопередачи», М. Энергия, 1977, стр.69-76 [4] указано на имеющее место изменение локального коэффициента теплопередачи по длине пластины (см. Фиг.2).
0
кр
При продольном течении жидкости (теплоносителя) вдоль плоской поверхности происходит образование динамического пограничного слоя, в пределах которого вследствие сил вязкого трения скорость изменяется от значения скорости невозмущенного потока w на внешней границе слоя до нуля на самой поверхности пластины. По мере движения потока вдоль поверхности толщина пограничного слоя постепенно возрастает; тормозящее воздействие стенки распространяется на все более далекие слои жидкости. На небольших расстояниях от передней кромки пластины пограничный слой весьма тонкий, и течение жидкости в нем носит струйный ламинарный характер. Далее, на некотором расстоянии x в пограничном слое начинают возникать вихри, и течение принимает турбулентный характер. Вихри обеспечивают интенсивное перемешивание жидкости в пограничном слое, однако в непосредственной близости от поверхности они затухают, и здесь сохраняется очень тонкий вязкий подслой.
Анализ теоретических и экспериментальных данных свидетельствует о том, что процесс теплоотдачи целесообразно поддерживать в пределах максимальных значений в начале формирования пограничного слоя при большом градиенте температур. Эта область заштрихована на Фиг.2.
Желаемого эффекта легче всего можно добиться за счет установки в канале теплопередающего элемента устройства, разрушающего пограничный слой теплоносителя и позволяющего соседним слоям вступать в контакт с теплопередающим элементом для отдачи (или захвата) тепла. Такое устройство в предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения выполняется в виде установки в канале поперечных потоку препятствий. Для этого в теплопередающих пластинах, в качестве которых выступают стенки канала, следует сделать поперечные выступы, или иным образом обеспечить резкие развороты потока, способствующие разрушению пограничного слоя и близлежащих слоев. При этом эффективность теплообмена в значительной степени зависит от конфигурации установленных в канале поперечных препятствий.
На Фиг.3 (вид 3.1) представлен один из вариантов схемы течения потока по прямолинейному каналу с встречными выступами, разрушающими пограничный слой. В другом варианте движение теплоносителя можно разбить на последовательность прямолинейных участков, при этом за счет высокой скорости теплоноситель не «вписывается» в радиус поворота, а разбивается о стенки канала на каждом изгибе (см. Фиг.3, вид 3.2).
Выступ первой пластины резко меняет направление потока. Выступ второй пластины разбивает поток и также меняет его направление.
2
Далее вновь идет формирование пограничного слоя. В зависимости от величины угла α поток разбивается полностью или частично. В то же время, на участке l отслоившиеся и разбитые на мелкие части нагретые пограничный и близлежащие слои отдают основному потоку тепло всей своей поверхностью во все направления.
у
у1
у3
На Фиг.4 представлена динамика распределения температуры в пограничном слое при движении теплоносителя по прямолинейному каналу. При движении теплоносителя на участке l в процессе конвективного теплообмена происходит наращивание температуры Т от значения T до Т.
Поперечные преграды и развороты потока представляют собой большое гидравлическое сопротивление. По этой причине они не применялись ранее в теплоотводящих конструкциях.
Однако увеличение теплоотвода при такой схеме позволяет в 2,5-3 раза сократить длину прохождения потока по теплопередающим каналам. А величину гидравлического сопротивления такой схемы можно регулировать количеством разворотов потока и углом α выступа на пластинах.
Увеличение теплоотвода происходит не за счет вихревых течений, которые в данной схеме при ламинарном течении отсутствуют, а за счет отрыва пограничного и близлежащих нагретых слоев в зоне интенсивного теплоотвода.
Движение тепла в перпендикулярном направлении от стенки канала в начальной стадии при максимальной разнице температур ΔT теплоносителей идет конвективным способом и достигает максимальных значений. На последующих участках ΔТ уменьшается, и динамика увеличения температуры пограничного слоя замедляется. В конце участка l в результате последовательного наращивания достигается нужное значение температуры всего потока теплоносителя.
На Фиг.5 представлена динамика распределения температуры в пограничном слое при движении теплоносителя по прямолинейному каналу с поперечными выступами, обеспечивающими отрыв пограничного слоя на каждом участке и интенсивное перемешивание его в общей массе потока.
1
2
3
ст
В отличие от схемы, представленной на Фиг.4, температура пограничного слоя в конце участка l на схеме по Фиг.5 формируется суммированием температурных результатов участков l, l, l. При этом значения Т (1, 2, 3) относятся к температуре стенки канала.
Так как максимальные значения теплопередачи достигаются в начальной стадии развития пограничного слоя, то при движении теплоносителей по схеме Фиг.5 будет достигаться более значительный эффект.
у
ABCD
ABKD
Масса пограничного слоя с температурой Т на Фиг.5 ограничивается суммарно площадью ABCD, тогда как согласно схеме по Фиг.4 она составляет фигуру, ограниченную сторонами ABKD, при прохождении потоком расстояния l. Площадь S>S.
На процесс теплообмена в каналах теплопередающих устройств влияет много условий, зависимость которых в тепловых расчетах учитывается путем введения разного рода коэффициентов и поправок. Процесс движения теплоносителей подразделяется на три вида - ламинарное, переходное и турбулентное - в зависимости от пределов возмущения потока. Тепловой расчет соответственно ведется по различным эмпирическим зависимостям.
Конвективный теплообмен в виде устойчивого длительного ламинарного движения, представленный на Фиг.4, является наихудшим способом передачи тепла.
Поэтому многочисленные технические решения на протяжении последних ста лет шли по пути искусственного возмущения, турбулизации, перемешивания слоев потока.
При этом предполагалось, что процесс увеличения теплообмена происходит за счет создания вихревого движения потока и увеличения общего давления на стенки каналов.
Анализ данных испытаний теплообменника сильфонного типа, где движение теплоносителей идет по кольцевым каналам большой кривизны, убедительно показал, что процесс интенсивного теплообмена зависит от угла отклонения потока центробежными силами от осевого направления. При увеличенных углах отклонения потока увеличивается масса потока, сталкивающаяся со стенками канала, интенсивно перемешивая при этом отслоившиеся массы пограничного и близлежащие к нему нагретые слои. В то же время, пограничный слой после столкновения и разворота потока вновь начинает восстанавливаться и передавать тепло близлежащим слоям, которые в результате перемешивания обладают меньшей температурой.
1
2
3
1
2
3
Tст>Тст>Тст, а Ту<Ту<Ту.
Зная угол отклонения потока в конкретном кольцевом канале с учетом действия центробежной силы, находим расчетную длину потока от одного столкновения со стенкой до другого. Проведенный таким образом тепловой расчет по приведенным в литературе эмпирическим зависимостям с большой точностью совпал с данными четырех независимых испытаний.
В то же время трехкратное увеличение скорости потока с учетом поправки коэффициента , где d - диаметр канала, r - радиус кривизны, не обеспечило ожидаемого результата.
Из вышеизложенного следует, что основным фактором интенсификации теплообмена является возможность на начальной стадии формирования пограничного слоя, когда происходит интенсивный теплоотвод от стенок теплопередающего элемента, производить отрыв и интенсивное перемешивание пограничного и близлежащих нагретых слоев в общей массе потока.
В одном из вариантов практической реализации заявляемой полезной модели в качестве поперечных преград использовались изгибы канала ломаной формы с углом α, близким к 45 градусам.
В другом варианте практической реализации заявляемой полезной модели в качестве поперечных преград использовались изгибы канала в форме сообщающихся полуокружностей
На Фиг.6 показано визуальное наблюдение поперечного обтекания кругового цилиндра большой кривизны ламинарным потоком. Мгновенная фотография течения демонстрирует возникновение возвратного течения и образование вихрей при поперечном обтекании цилиндра.
Это визуальное наблюдение подтверждает факт повышения теплоотвода за счет отрыва части пограничного слоя и близлежащих к нему слоев. Смещение вихревых образований в нижнюю часть канала указывает на действие силы тяжести на движущийся поток.
Аналогично протекает процесс теплоотвода и при турбулентном течении. Так как турбулентное течение, кроме осевого вихревого перемещения, характеризуется поперечным импульсным движением в поперечном, по отношению к потоку, направлении. С увеличением этих пульсационных нагрузок на стенки канала происходит нарастающий отрыв пограничного и близлежащих нагретых слоев, а далее интенсивное перемешивание этих масс турбулентным потоком.
На Фиг.7 приведена мгновенная фотография турбулентного течения в пограничном слое, на которой наглядно показан отрыв частей пограничного слоя при турбулентном течении. С увеличением скорости потока при турбулентном течении высокочастотные пульсации поперечно увеличиваются, увеличивая и теплоотвод.
Если предположить, что основным фактором повышения теплоотвода является отрыв пограничного слоя и близлежащих к нему слоев, то заявляемое техническое решение представляется вполне обоснованным. Действительно, за счет установки поперечных преград на пути прямолинейного потока осуществляется разбиение потока в местах формирования пограничного слоя и обеспечивается его последующий отрыв. Такое решение дает возможность увеличить теплоотвод пластинчатых, матричных и других теплообменников, не меняя существенно их конструкцию и технологию изготовления теплопроводящих пластин.