ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована при конструировании радиаторов транспортных средств и других теплообменников, основанных на обтекании рабочей средой полых, например, трубчатых, элементов, а также в проектировании других устройств, где требуется обеспечить эффективный теплообмен.
Из уровня техники известны многочисленные конструкции теплообменных устройств. При этом наиболее распространенными являются кожухотрубчатые, пластинчатые и матричные теплообменники, в которых используется ламинарное течение рабочих сред, соприкасающихся с теплопередающими поверхностями. Одна из таких конструкций описана, например, в патенте РФ 2382968 [1], где в теплообменнике, содержащем соосно установленные одна в другой с кольцевым зазором наружную, среднюю, внутреннюю трубы, наружная из которых закреплена в трубной доске, верхний и нижний переходники с переточными окнами, причем окна верхнего переходника сообщены с кольцевым зазором между средней и внутренней трубами, а через окна нижнего переходника кольцевой зазор между наружной и средней трубами сообщен с внутренней трубой, по оси внутренней трубы с кольцевым зазором установлена центральная труба, выведенная верхним концом за пределы наружной и укрепленная в своей трубной доске, а нижним - сообщенная с переточными окнами нижнего переходника.
Многочисленными исследованиями, описанными в литературе (см., например, Михеев М.А., Михеева И.М., Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип.М., «Энергия», 1977, 344 стр.) [2] установлено, что при определенных условиях удается повысить эффективность теплообменных устройств за счет применения схем, в которых рабочая среда подается в направлении, перпендикулярном оси теплообменных элементов, например, набора трубок, при этом максимальные значения отвода тепла при поперечном обтекании достигаются в зоне лобового столкновения с поверхностью. С увеличением угла φ (где φ - величина угла между направлением потока рабочей среды и теплопроводящей поверхностью) интенсивность теплообмена падает и при φ=90-100 градусов достигает минимума. На Фиг.1 приведена схема поперечного обтекания труб (Фиг.1.1) и график изменения теплоотдачи по окружности (Фиг.1.2) по данным источника [2] стр.106.
Анализ действия основных сил, принимающих участие в процессах теплообмена, показывает, что на поток рабочей среды, в частности в криволинейных каналах сильфона, действуют как силы давления, определяющиеся скоростью и массой рабочей среды, так и инерционные силы, которые периодически отжимают поток в верхнюю зону канала к поверхности удаленной от продольной оси сильфона и выполняют роль интенсификатора. «Касательные» нагрузки за счет этих сил на вогнутых поверхностях увеличиваются, увеличивая теплоотвод и гидравлическое сопротивление. Экспериментальным путем установлено, что интенсивность теплоотвода зависит от отношения сил давления и инерционных сил . Обе эти силы замеряются путем помещения динамометров в поток рабочей среды в пограничной с теплопроводящей поверхностью области. При этом наилучшие результаты достигаются при условии, что .
При обтекании трубок в эксплуатационных теплообменниках также возникают инерционные силы, но они нейтрализуются аналогичными противоположно направленными силами со стороны соседних трубок. В этом случае соотношение сил давления и инерционных сил выражается как .
Именно поэтому на боковых поверхностях трубок и идет снижение интенсивности теплообмена. В радиаторах применяют трубки прямоугольной формы с закругленными углами, что обеспечивает более равномерный отвод тепла к оребренным поверхностям.
Таким образом, одно из направлений в повышении эффективности теплообменных устройств предусматривает изменение профиля трубок, пластин оребрения, и их взаимное расположение, чтобы обеспечить движение рабочей среды по криволинейному каналу.
Одним из наиболее распространенных подходов к решению проблемы эффективного теплообмена является разрушение пограничного слоя механическими средствами. Здесь следует упомянуть такие конструкции теплообменников, где ламинарный поток рабочей среды заменен турбулентным за счет введения завихряющих элементов. Так, например, в патенте РФ 2369817 [3] описано турбулизирующее устройство для теплообменной трубы, которое содержит жестко закрепленные на оси с заданным шагом завихрители-лопасти, обтекаемые потоком теплоносителя, причем завихрители-лопасти выполнены в виде прямоугольных пластин с острыми кромками на концах, центральная часть пластин расположена параллельно потоку теплоносителя, а концы повернуты относительно друг друга на угол 15-45 градусов, при этом завихрители-лопасти установлены по длине трубы на расстоянии от 1 до 5 внутренних диаметров трубы.
Такая конструкция обеспечивает некоторое повышение эффективности теплообмена, однако из-за сложности изготовления стоимость таких теплообменников весьма высока.
В то же время, основная идея решения [3], заключающаяся в механическом воздействии на поток рабочей среды с целью более эффективного использования сформировавшегося пограничного слоя и обеспечения увеличенной площади контакта между поверхностью теплообменного элемента и рабочей среды, позволила выбрать это решение в качестве прототипа.
Из теории теплообмена (см. [2]) известно, что процесс теплоотдачи усложняется, если в поперечном потоке жидкости имеется не одна, а пучок (пакет) труб. В технике распространены два основных типа трубных пучков - коридорный и шахматный. Характеристиками пучка являются диаметр труб d и относительные расстояния между их осями по ширине пучка Lx=xjd и его глубине L2=x2/d. От схемы компоновки пучка зависят характер движения жидкости и омывание труб. Условия омывания первого ряда в коридорных и шахматных пучках из круглых труб близки к условиям омывания одиночной трубы. Для последующих рядов характер омывания изменяется.
Таким образом, задача, на решение которой направлено заявляемое предложение, состоит в том, чтобы разработать такую конструкцию теплообменника, в которой обеспечивается высокая степень контакта значительной части рабочей среды с максимальной площадью теплопроводящих поверхностей.
Одним из возможных решений данной проблемы является использование инерционных сил, которые способны при определенных условиях обеспечивать формирование в ограниченном пространстве, образованном теплопроводящими поверхностями, поток рабочей среды, подвергающийся многократным отражениям от теплопроводящих поверхностей.
Теория и практика показывают, что значения теплоотдачи по окружности цилиндра резко меняется, достигая максимальных значений в зоне лобового столкновения потока и минимальных на боковых поверхностях в зоне, где инерционные силы имеют максимальное значение. Это происходит потому, что инерционные силы, действующие на соседнюю теплопроводящую поверхность, нейтрализуются аналогичной силой с ее стороны.
Технический результат достигнут за счет того, что в теплообменнике, основанном на поперечном обтекании теплопроводящих поверхностей рабочей средой, теплопроводящие поверхности размещены таким образом, что образуют криволинейный канал синусоидальной формы, рассчитанный по формуле
ин
где F - инерционная сила (в ньютонах);
М - масса рабочей среды (в килограммах);
V - скорость потока рабочей среды (метров в секунду);
R - радиус кривизны канала (в миллиметрах);
При формировании криволинейного канала большое значение имеет также расстояние между теплопроводящими поверхностями. Для того, чтобы интенсивность теплообмена значительно превышала интенсивность, достигаемую при продольном обтекании плоской поверхности необходимо добиться определенного соотношения сил
давления и инерции. Экспериментальным путем было установлено, что с помощью регулировки расстояния и замера сил давления и инерционных сил необходимо добиться выполнения условия .
Существо предлагаемого решения поясняется далее с привлечением графических материалов.
Фиг.1 иллюстрирует действие инерционных сил, где
V - скорость потока рабочей среды;
1
F - инерционная сила одной поверхности;
2
F - инерционная сила соседней поверхности.
При этом на Фиг.1.1 приведена схема поперечного обтекания труб и направление возникающих при этом инерционных сил. А на Фиг.1.2 приведен график изменения теплоотдачи по окружности
Указанные силы взаимно нейтрализуются в случае соседних поверхностей одинаковой формы. Однако, если форму одной из поверхностей изменить, то и распределение сил изменится, что дает возможность добиться увеличения силы, прижимающей поток рабочей среды к заданной теплопроводящей поверхности.
1
Этот эффект иллюстрируется на Фиг.2 и 3, где показаны варианты конфигурации каналов высокой кривизны, согласно заявляемому техническому решению, которые позволяют более эффективно использовать силы инерции и силы давления для достижения требуемой интенсивности теплообмена. Конструкция выполнена в виде кожуха (на иллюстрациях кожух не показан), в котором размещены полые элементы 21, обеспечивающие прохождение одной из рабочих сред, участвующих в теплообмене (например, охлаждаемой рабочей среды), со скоростью V. Каналы высокой кривизны 23 образованы теплопроводящими поверхностями 22. По этим каналам пропускают вторую рабочую среду (например, охлаждающую рабочую среду) со скоростью V.
На Фиг.4 показан вариант формирования канала высокой кривизны за счет изменения формы поверхности 22 трубок (полых элементов) 21 радиатора, согласно заявляемому техническому решению. Выполненные в виде сегментов трубки расположены в шахматном порядке, причем выпуклые поверхности сегментов в каждом ряду направлены в одну и ту же сторону таким образом, что для рабочей среды формируется канал 23 синусоидального профиля.
1
1
2
На вышеперечисленных иллюстрациях применены следующие обозначения: V, V - скорость потока рабочих сред, F и F - векторы разнонаправленных инерционных сил.
Эксперименты, проведенные авторами с использованием кольцевых каналов теплообменника сильфонного типа, а также в автомобильных радиаторах, показали, что интенсивность теплообмена в предложенной конструкции более чем в два раза превысила интенсивность известных эксплуатационных радиаторов. Это позволяет добиться существенной экономии используемых в теплообменниках цветных металлов и уменьшить габариты радиаторов без снижения их эксплуатационных свойств.
Заявленная полезная модель может найти применение в конструкциях радиаторов транспортных средств и других теплообменников, основанных на обтекании рабочей средой полых, например, трубчатых, элементов, а также в проектировании других устройств, где требуется обеспечить эффективный теплообмен.