Развитая теплообменная поверхность

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплообменных устройств.

Известна развитая теплообменная поверхность (Охлаждение лопаточных аппаратов газовых турбин: Обзор. - М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990. - с. 11, рис. 4.а), содержащая поверхность теплообмена, на которой выполнено оребрение в виде цилиндрических шипов, имеющих шахматное расположение.

Основной недостаток настоящего технического решения заключается в невысокой интенсивности теплообмена.

Известна развитая теплообменная поверхность (Охлаждение лопаточных аппаратов газовых турбин: Обзор. - М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1990. - с. 11, рис. 4.г), содержащая поверхность теплообмена, на которой выполнено оребрение в виде сферических канавок.

Основной недостаток настоящего технического решения заключается в невысокой интенсивности теплообмена.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является развитая теплообменная поверхность (Rao Y., Xu Y., Wan С. An experimental and numerical study of flow and heat transfer in channels with pin fin-dimple and pin fin arrays // Experimental Thermal and Fluid Science. - 2012. - T. 38. - c. 239, рис. 3), на одной из сторон которой выполнено оребрение в виде цилиндрических шипов, имеющих шахматное расположение, и канавок, имеющих шахматное расположение, при этом канавки расположены между шипами.

Основной недостаток настоящего технического решения заключается в невысокой интенсивности теплообмена.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в интенсификации теплообмена за счет изменения конфигурации поверхности теплосъема.

Техническим результатом является повышение удельных тепловых потоков, снимаемых с развитой поверхности теплообмена.

Это достигается тем, что известная развитая теплообменная поверхность содержит поверхность теплообмена, по меньшей мере на одной из сторон которой выполнено оребрение, при этом оребрение выполнено в виде канавок, расположенных шахматно с поперечным шагом S₁ и продольным шагом S₂, выполненных в форме сферического пояса с диаметром меньшего основания D_пм, диаметром большего основания D_пб и высотой h_п, и цилиндрических шипов, соосно установленных в канавки, высотой H_ш и диаметром D_ш, равным диаметру меньшего основания D_пм сферического пояса, при этом отношение поперечного шага S₁ расположения канавок к диаметру меньшего основания D_пм сферического пояса находится в диапазоне от 1,5 до 3, отношение продольного шага S₂ расположения канавок к диаметру большего основания D_пб сферического пояса находится в диапазоне от 1,5 до 3, отношение D_пб/ D_пм находится в диапазоне от 1,2 до 3, отношение высоты Н_ш цилиндрических шипов к высоте сферического пояса h_=п находится в диапазоне от 1 до 30.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена развитая теплообменная поверхность (РТП), на фиг. 2 представлен вид сверху на РТП, на фиг. 3 показан разрез Б-Б РТП, на фиг. 4 изображен график зависимости числа Нуссельта Nu от числа Рейнольдса Re для различных РТП.

Развитая теплообменная поверхность содержит поверхность теплообмена 1, по меньшей мере на одной из сторон которой выполнено оребрение в виде канавок 2, расположенных шахматно с поперечным шагом S₁ и продольным шагом S₂ и выполненных в форме сферического пояса с диаметром меньшего основания D_пм, диаметром большего основания D_пб и высотой h_п. В канавки 2 соосно установлены цилиндрические шипы 3 высотой H_ш и диаметром D_ш, равным диаметру меньшего основания D_пм сферического пояса. При этом отношение поперечного шага S₁ расположения канавок 2 к диаметру меньшего основания D_пм сферического пояса находится в диапазоне от 1,5 до 3. Отношение продольного шага S₂ расположения канавок 2 к диаметру большего основания D_пб сферического пояса находится в диапазоне от 1,5 до 3. Отношение D_пб/ D_пм находится в диапазоне от 1,2 до 3. Отношение высоты H_ш цилиндрических шипов 3 к высоте сферического пояса h_п находится в диапазоне от 1 до 30.

Предлагаемое оребрение можно выполнять как с одной стороны поверхности теплообмена 1, так и с обеих. При этом для оребренной стороны развитой теплообменной поверхности рабочая среда является газообразной.

Данную развитую теплообменную поверхность можно использовать в любом теплообменном устройстве, включая трубы, охлаждаемые каналы, пластинчатые теплообменники и т.д.

Развитая теплообменная поверхность работает следующим образом.

В рабочем процессе газообразная среда обтекает оребренную сторону поверхности теплообмена 1, принимая или передавая через нее тепловой поток. При натекании газообразной среды на цилиндрические шипы 3 часть газового потока перенаправляется в канавки 2, в которых формируются вихревые жгуты, поглощающие пограничный слой вокруг цилиндрических шипов 3. Указанное сочетание канавок 2 и цилиндрических шипов 3 позволяет значительно повысить интенсивность теплообмена по сравнению с прототипом. Значительное повышение коэффициента теплоотдачи на поверхности теплообмена 1 вызвано прежде всего заполнением вихревыми жгутами всей полости канавки 2 и частичным поглощением пограничного слоя.

В результате проведения численного эксперимента была подтверждена высокая интенсивность теплообмена РТП. Графическая зависимость числа Нуссельта Nu от числа Рейнольдса Re для различных развитых теплообменных поверхностей приведена на фигуре 4, где линия 1 отражает зависимость для РТП, на которой выполнено оребрение в виде цилиндрических шипов, имеющих шахматное расположение. Линия 2 отражает зависимость для РТП, на которой выполнено оребрение в виде цилиндрических шипов, имеющих шахматное расположение, и канавок, имеющих шахматное расположение. При этом канавки расположены между шипами (по прототипу). Линия 3 отражает зависимость для предлагаемой РТП. Как видно из графика, предлагаемое техническое решение обладает значительно более высокой интенсивностью теплообмена по сравнению с прототипом: рост числа Nu в диапазонах чисел Re от 12000 до 30000 составляет примерно 15-20%.

Столь значительный рост интенсивности теплообмена вызван прежде всего значительной турбулизацией потока. Структура вторичных токов принципиально меняется. Часть потока, натекающего на цилиндрические шипы 3, перенаправляется в канавки 2, в которых образуются зоны повышенной интенсивности теплообмена за счет формирования вихревых жгутов, поглощающих пограничный слой.

Использование изобретения позволяет достичь повышения удельных тепловых потоков, снимаемых с развитой поверхности теплообмена, за счет повышения интенсификации теплообмена.