Теплообменный элемент
HEAT EXCHANGE ELEMENT

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в рекуперативных теплообменных аппаратах различного назначения.
Известен теплообменный элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси трубы формой поперечного сечения канала, полученной благодаря деформированию трубы, причем форма поперечного сечения канала в каждой точке теплообменного элемента является результатом деформации (сжатия и поворота) овальной формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке (авторское свидетельство СССР №1719873).
Недостатком этого элемента является то, что деформация поперечного сечения канала происходит только вдоль одной из его осей. В направлении другой оси форма и размер канала не меняются, поэтому в этих местах канала отсутствует отрыв пристенных слоев теплоносителя, что отрицательно сказывается на тепловой эффективности.
Кроме того, поскольку изменение формы поперечного сечения канала происходит путем деформации трубы, т.е. при сохранении периметра поперечного сечения канала, то происходит уменьшение площади поперечного сечения канала (например, при предельном сжатии трубы площадь поперечного сечения канала стремится к нулю), что ведет к увеличению средней скорости движения теплоносителя на участках с уменьшающейся площадью поперечного сечения, что в свою очередь приводит к увеличению гидравлического сопротивления.
Одновременно по мере возрастающего отклонения формы поперечного сечения канала от первоначальной формы уменьшается эквивалентный гидравлический диаметр, что также приводит к увеличению гидравлического сопротивления канала.
Известен теплообменный элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси трубы формой поперечного сечения канала, полученной благодаря деформированию цилиндрической трубы, причем форма поперечного сечения канала в каждой точке теплообменного элемента является результатом растяжения, сжатия и поворота круглой формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке (патент GB №602398 А публикация 1948-05-26).
В данном элементе, благодаря комплексной деформации формы поперечного сечения канала (растяжение, сжатие и поворот), в поперечных сечениях отсутствуют зоны, остающиеся неизменными при деформации сечения канала элемента, поэтому происходит непрерывный отрыв пристенного слоя теплоносителя от стенок канала в любой точке теплообменного элемента, что улучшает тепловую эффективность.
Однако поскольку изменение формы поперечного сечения канала происходит путем деформации цилиндрической трубы, т.е. при сохранении периметра поперечного сечения канала, то происходит уменьшение площади поперечного сечения канала, что ведет к увеличению средней скорости движения теплоносителя на участках с уменьшающейся площадью, что в свою очередь приводит к увеличению гидравлического сопротивления.
Одновременно по мере отклонения формы поперечного сечения канала от круглой формы уменьшается эквивалентный гидравлический диаметр, что также приводит к увеличению гидравлического сопротивления канала.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение тепловой эффективности и снижение гидравлического сопротивления теплообменного элемента.
Поставленная задача решается тем, что площадь поперечного сечения канала теплообменного элемента в любой его точке остается неизменной. Центр масс любого поперечного сечения канала может быть смещен относительно центра масс поперечного сечения канала в его начальной точке. Величины коэффициентов растяжения и сжатия поперечного сечения канала находятся в пределах от 1 до 15. Сечение канала теплообменного элемента в его начальной точке может иметь любую форму, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.
Сохранение неизменной площади поперечного сечения канала в любой точке теплообменного элемента достигается за счет изменения периметра поперечного сечения. Это позволяет сохранить неизменной среднюю скорость теплоносителя в любом поперечном сечении теплообменного элемента, что исключает рост гидравлического сопротивления, обусловленный локальным повышением скорости.
Смещение центра масс любого поперечного сечения канала относительно центра масс поперечного сечения канала в его начальной точке ведет к появлению дополнительных усилий по отрыву пристенного слоя теплоносителя, что способствует росту тепловой эффективности.
Изменение формы канала обеспечивает турбулизацию потока за счет возникновения микровихревых структур в пристенной области, которые повышают тепловую эффективность. Однако одновременно, по мере отклонения формы поперечного сечения канала от круглой формы, уменьшается эквивалентный гидравлический диаметр, т.е. увеличивается гидравлическое сопротивление канала. Для обеспечения целесообразного соотношения повышения тепловой эффективности и роста гидравлического сопротивления величины коэффициентов растяжения и сжатия сечения канала находятся пределах от 1 до 15.
Поперечное сечение канала теплообменного элемента в его начальной точке может быть любой заданной формы, например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано, например, с использованием аддитивных технологий (3D печати).
На рисунке 1 представлен заявляемый теплообменный элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси формой поперечного сечения канала, которая является результатом растяжения, сжатия, поворота и смещения круглой формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке, а также представлены поперечные сечения этого элемента. При этом площадь поперечного сечения канала в любой точке теплообменного элемента остается неизменной благодаря изменению периметра поперечного сечения канала.
На рисунке 2 представлен заявляемый теплообменный элемент в виде трубы с изменяющейся вдоль продольной оси формой поперечного сечения канала, которая является результатом растяжения, сжатия, поворота и смещения шестигранной формы сечения канала теплообменного элемента в его начальной точке, а также представлены поперечные сечения этого элемента. При этом площадь поперечного сечения канала в любой точке теплообменного элемента остается неизменной благодаря изменению периметра поперечного сечения канала.
Заявляемый теплообменный элемент функционирует следующим образом. Теплоноситель, двигаясь внутри теплообменного элемента, поперечное сечение которого в его начальной точке может иметь любую форму (например, многоугольника, круга, овала, стадиона, звезды), испытывает, благодаря растяжению, сжатию, повороту и смещению центра масс поперечного сечения канала вдоль продольной оси, непрерывные усилия отрыва пристенных слоев от стенок канала, в результате чего возникают микровихревые структуры, турбулизирующие ламинарные пристенные слои теплоносителя, что обеспечивает повышение тепловой эффективности. Поскольку площадь поперечного сечения канала в любой точке теплообменного элемента остается неизменной, скорость теплоносителя вдоль канала остается постоянной, что исключает обусловленный локальным повышением скорости рост гидравлического сопротивления. Благодаря тому, что значения коэффициентов растяжения и сжатия поперечного сечения канала находятся в пределах от 1 до 15, обеспечивается целесообразное соотношение повышения тепловой эффективности и роста гидравлического сопротивления.
Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить тепловую эффективность и снизить гидравлическое сопротивление теплообменного элемента.