Поверхность теплообмена
HEAT EXCHANGE SURFACE

Изобретение относится к области теплотехники, а конкретно к конструктивным элементам теплообменного оборудования различного назначения, и может быть использовано для интенсификации теплообмена, например, в теплообменных аппаратах или при охлаждении камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя.
0,5
-2,7
2
2
Известен «Способ интенсификации теплообмена» по патенту РФ на изобретение №2122167, включающий создание на поверхности теплообмена вихревого течения, при этом продольные вихри формируют путем наложения радиального течения от вращающихся дисков на набегающий поток за счет размещения их над поверхностью теплообмена на расстоянии от b/5 до 2b, при этом диски располагают параллельно друг другу на расстоянии b в диапазоне d<b<10d, где d=4(ν/ω) для ламинарного течения и d=r(0,05+5(log(Re))) для турбулентного течения; b - расстояние между дисками (м); ω - угловая скорость вращения дисков (рад/с); ν - кинематическая вязкость набегающего потока (м/с); r - радиус дисков (м); Re=(rω/ν) - число Рейнольдса, причем касательная к линии пересечения поверхности теплообмена и произвольной плоскости, параллельной плоскости дисков, совпадает по направлению с вектором скорости набегающего потока.
Недостатком известного способа по патенту РФ на изобретение №2122167 является низкая эффективность теплообмена между потоком и поверхностью из-за незначительного вихреобразования в пограничном слое потока вращающимися дисками. Также в качестве недостатка можно отметить сложность конструкции.
Известна «Поверхность теплообмена» по патенту РФ на изобретение №2031348, принятого в качестве ближайшего аналога, содержащая волнистый профиль, образованный последовательно чередующимися выступами и впадинами, имеющими одинаковые размеры относительно осевой линии, а смежные поверхности образуют диффузорно-конфузорные каналы, при этом с целью повышения коэффициента теплообмена, снижения габаритов и массы теплообменников, выступы имеют острую кромку и их высота h=(1,5-2)δ, где δ - толщина пограничного слоя, а расстояние S между вершинами соседних выступов составляет (12-15)h.
Недостатком известного устройства по патенту РФ на изобретение №2031348 является низкая эффективность теплообмена между потоком и поверхностью из-за незначительного вихреобразования в пограничном слое потока на выступах с острой кромкой.
Перед заявляемым изобретением поставлена задача повышения эффективности теплообмена между потоком и поверхностью за счет интенсивного вихреобразования в пограничном слое потока.
Поставленная задача в заявляемом изобретении решается за счет того, что поверхность теплообмена содержит последовательно чередующиеся по направлению потока выступы, при этом, с целью интенсификации теплообмена, каждый выступ выполнен в виде четырехугольной призмы высотой h=(1,5-2)δ, где δ - толщина пограничного слоя потока, одинаковые основания четырехугольной призмы выполнены в виде равнобедренной трапеции, перпендикулярные основаниям четырехугольной призмы вихреобразующие ребра находятся на ее передней грани, проходящей через большую сторону равнобедренной трапеции размером b, обращенную навстречу потоку и перпендикулярную направлению потока, задняя грань четырехугольной призмы, проходящая через меньшую сторону равнобедренной трапеции, параллельную большей стороне равнобедренной трапеции, имеет размер ƒ=(0,2-0,5)b, четырехугольные призмы расположены в шахматном порядке с шагом ƒ между вихреобразующими ребрами соседних четырехугольных призм, расположенных перпендикулярно направлению потока, и для обеспечения интенсивного вихреобразования с шагом S=(12-14)h между передними гранями соседних четырехугольных призм, расположенных по направлению потока.
Заявленное изобретение отличается от известного технического решения по патенту РФ №2031348 тем, что с целью интенсификации теплообмена, каждый выступ выполнен в виде четырехугольной призмы высотой h=(1,5-2)δ, где δ - толщина пограничного слоя потока, одинаковые основания четырехугольной призмы выполнены в виде равнобедренной трапеции, перпендикулярные основаниям четырехугольной призмы вихреобразующие ребра находятся на ее передней грани, проходящей через большую сторону равнобедренной трапеции размером b, обращенную навстречу потоку и перпендикулярную направлению потока, задняя грань четырехугольной призмы, проходящая через меньшую сторону равнобедренной трапеции, параллельную большей стороне равнобедренной трапеции, имеет размер ƒ=(0,2-0,5)b, четырехугольные призмы расположены в шахматном порядке с шагом ƒ между вихреобразующими ребрами соседних четырехугольных призм, расположенных перпендикулярно направлению потока, и для обеспечения интенсивного вихреобразования с шагом S=(12-14)h между передними гранями соседних четырехугольных призм, расположенных по направлению потока.
Указанное отличие позволило получить технический результат, а именно, обеспечило повышение эффективности теплообмена между потоком и поверхностью за счет интенсивного вихреобразования в пограничном слое потока.
На фиг. 1 представлен вид сверху на поверхность теплообмена с выступами, выполненными в виде четырехугольной призмы и расположены в шахматном порядке.
На фиг. 2 представлен разрез А-А (фиг. 1) поверхности теплообмена.
Поверхность 1 теплообмена (фиг. 1, 2) содержит последовательно чередующиеся по направлению потока выступы 2, при этом, с целью интенсификации теплообмена, каждый выступ 2 выполнен в виде четырехугольной призмы 3 высотой h=(1,5-2)δ, где δ - толщина пограничного слоя потока, одинаковые основания 4 четырехугольной призмы 3 выполнены в виде равнобедренной трапеции 5, перпендикулярные основаниям 4 четырехугольной призмы 3 вихреобразующие ребра 6 находятся на ее передней грани 7, проходящей через большую сторону 8 равнобедренной трапеции 5 размером b, обращенную навстречу потоку и перпендикулярную направлению потока, задняя грань 9 четырехугольной призмы 3, проходящая через меньшую сторону 10 равнобедренной трапеции 5, параллельную большей стороне 8 равнобедренной трапеции 5, имеет размер ƒ=(0,2-0,5)b, четырехугольные призмы 3 расположены в шахматном порядке с шагом ƒ между вихреобразующими ребрами 6 соседних четырехугольные призм 3, расположенных перпендикулярно направлению потока, и для обеспечения интенсивного вихреобразования с шагом S=(12-14)h между передними гранями 7 соседних четырехугольных призм 3, расположенных по направлению потока.
Поверхность теплообмена работает следующим образом (фиг. 1, 2).
На поверхности 1 теплообмена при набегании потока (жидкости или газа) формируется пограничный слой потока толщиной δ, который является основным тепловым сопротивлением, снижающим эффективность теплообмена. Уменьшение толщины δ пограничного слоя потока или его полное разрушение обеспечивают турбулизацией пограничного слоя потока за счет интенсивного вихреобразования на выступах 2.
Для получения вихрей высокой интенсивности каждый выступ 2 выполнен в виде четырехугольной призмы 3 высотой h=(1,5-2)δ, где δ - толщина пограничного слоя потока. Деталь с поверхностью теплообмена с четырехугольными призмами 3 может быть изготовлена методом послойного синтеза, например, селективным лазерным плавлением металлического порошка. Одинаковые основания 4 четырехугольной призмы 3 выполнены в виде равнобедренной трапеции 5. Перпендикулярные основаниям 4 четырехугольной призмы 3 вихреобразующие ребра 6 находятся на ее передней грани 7, проходящей через большую сторону 8 равнобедренной трапеции 5 размером b, обращенную навстречу потоку и перпендикулярную направлению потока. При набегании потока на переднюю грань 7 четырехугольной призмы 3 на вихреобразующих ребрах 6 формируются упорядоченная последовательность вихрей, называемая вихревой дорожкой Кармана. За четырехугольной призмой 3 устанавливаются определенные интервалы между вихрями, то есть вихри поочередно срываются с ее вихреобразующих ребер 6. При этом вихри, образованные на одном вихреобразующем ребре 6, имеют противоположные вращения вихрям, полученным на втором вихреобразующем ребре 6. Расстояние между вихрями  формирующимися на одном вихреобразующем ребре 6, зависит от размера b большей стороны 8 равнобедренной трапеции 5 и составляет  Вихри интенсивно турбулизируют пограничный слой потока. При обтекании потоком четырехугольной призмы 3 за ее задней гранью 9, проходящей через меньшую сторону 10 равнобедренной трапеции 5, параллельную большей стороне 8 равнобедренной трапеции 5, и имеющей размер ƒ=(0,3-0,5)b, формируется вихрь, турбулизирующий пограничный слой потока. Для интенсификации вихреобразования в пограничном слое четырехугольные призмы 3 расположены в шахматном порядке. Шаг ƒ между вихреобразующими ребрами 6 соседних четырехугольных призм 3, расположенных перпендикулярно направлению потока, равен размеру меньшей стороны 10 равнобедренной трапеции 5. При шахматном порядке расположения четырехугольных призм 3 образованные на первой по потоку четырехугольной призме 3 вихри набегают на переднюю грань 7 второй четырехугольной призмы 3, расположенной по направлению потока. При шаге S=(12-15)h между передними гранями 7 соседних четырехугольных призм 3, расположенных по направлению потока, перед второй четырехугольной призмой 3 возникает интенсивный вихрь.
Далее, вниз по потоку, происходит циклическое повторение описанного процесса вихреобразования на четырехугольных призмах 3. Таким образом, расположение в шахматном порядке четырехугольных призм 3 обеспечивает интенсивное вихреобразование и приводит к турбулизации пограничного слоя потока, а следовательно, к уменьшению теплового сопротивления пограничного слоя потока и повышению эффективности теплообмена.
Необходимо отметить, что образовавшиеся на четырехугольных призмах 3 вихри турбулизируют только пограничный слой потока, что вызывает существенный рост теплоотдачи поверхности теплообмена при незначительном увеличении гидравлического сопротивления потоку.
Заявленное изобретение позволило получить технический результат, а именно обеспечило повышение эффективности теплообмена между потоком и поверхностью за счет интенсивного вихреобразования в пограничном слое потока.