Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях теплопередающих устройств и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплопередающих устройствах, например, в ядерных энергетических установках.

Известен способ повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях заключающийся в том, что подают теплоноситель на выпуклую теплоотдающую поверхность и закручивают его относительно оси лежащей в плоскости параллельной теплоотдающей поверхности (Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика, 2003, №11, с. 25-30, [1]). Закручивающее устройство представляет собой проволоку навитую на выпуклую теплоотдающую поверхность тепловыделяющего элемента. Закручивающее устройство выполняет роль дистанционирующего устройства и интенсификатора теплосъема.

Основной недостаток тепловыделяющих элементов такого типа заключается в низкой эффективности закручивающих устройств, установленных на выпуклой поверхности тепловыделяющих элементов.

Установлено, что использование закрутки потока в парогенерирующих устройствах, в которых присутствуют выпуклые теплоотдающие поверхности, приводит к обратному эффекту - снижению критических тепловых потоков (КТП), преждевременному наступлению кризиса, входу канала в закризисные режимы и выходу из строя реакторной установки (РУ). (Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика, 2003, №11, с. 25-30 [1]). Тепловыделяющие элементы, используемые в ТВС, имеют выпуклые теплоотдающие поверхности. В связи с этим, использование в сборках закручивающих элементов в целях интенсификации теплосъема нецелесообразно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях теплопередающих устройств, заключающийся в том, что на выпуклую теплоотдающую поверхность подают предварительно разделенный на два потока теплоноситель, верхний поток, удаленный от выпуклой теплоотдающей поверхности закручивают, а нижний поток, поданный на выпуклую теплоотдающую поверхность, делят на n потоков (патент России 2295785, МПК³ G21C 3/34, F28 F 13/12. Тепловыделяющая сборка / Э.А. Болтенко // Заявка №2005108295 от 24.03.2005. Бюл. №8. 2007 г. [2])

Устройство для повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях, содержащее верхнее закручивающее устройство, размещенное относительно выпуклой поверхности с зазором δ, причем зазор разделен продольными ребрами на ряд каналов (патент России 2295785, МПК³ G21C 3/34, F28 F 13/12. Тепловыделяющая сборка / Э.А. Болтенко // Заявка №2005108295 от 24.03.2005. Бюл. №8. 2007 г. [2]).

На фиг. 1 показано устройство для осуществления способа. Устройство, показанное на фиг. 1, состоит из выпуклой теплоотдающей поверхности 1, закручивающего устройства 2, размещенного на выпуклой поверхности 2 с зазором 3 относительно выпуклой теплоотдающей поверхности, причем зазор разделен продольными ребрами 4 на ряд каналов.

Основной недостаток способа повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях и устройства для повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях заключается в недостаточной эффективности.

Предлагается:

1. Способ повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях теплопередающих устройств, заключающийся в том, что на выпуклую теплоотдающую поверхность подают предварительно разделенный на два потока теплоноситель, верхний поток, удаленный от выпуклой теплоотдающей поверхности закручивают, а нижний поток, поданный на выпуклую теплоотдающую поверхность, делят на n потоков, отличающийся тем, что число потоков n, движущихся по выпуклой теплоотдающей поверхности, выбирается из условия 0,1πd_вп/h_н≥n≥0,

где h_н - толщина нижнего потока, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

2. Способ повышения теплосъема по п. 1, отличающийся тем, что нижний поток, движущийся по выпуклой теплоотдающей поверхности, закручивают.

3. Способ повышения теплосъема по п. 1, отличающийся тем, что верхний закрученный поток, удаленный от выпуклой поверхности, предварительно делят на ряд потоков m, сдвинутых по фазе, причем m выбирается из условия ,

где h_в - толщина верхнего потока, поданного на выпуклую теплоотдающую поверхность, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

4. Устройство для повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях, содержащее верхнее закручивающее устройство, размещенное относительно выпуклой поверхности с зазором δ, причем зазор разделен продольными ребрами на ряд каналов отличающееся тем, что число продольных ребер n, размещенных на выпуклой поверхности, выбирается из условия 0,1πd_вп/δ≥n≥0,

где δ - высота зазора, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что продольные ребра на выпуклой теплоотдающей поверхности выполнены в виде нижнего закручивающего устройства, причем угол закрутки ϕ_н нижнего закручивающего устройства направлен противоположно углу закрутки ϕ_в верхнего закручивающего устройства, а шаг закрутки нижнего закручивающего устройства лежит в диапазоне 0<Т_н<∞, где Т_н - шаг закрутки нижнего закручивающего устройства

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что верхнее закручивающее устройство выполнено многозаходным, причем число ходов m выбирается из условия

где Δ=(D_н-d_вп)/2, D_н - наружный диаметр верхнего закручивающего устройства, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности, что обеспечивается тем, что число потоков n, движущихся по выпуклой теплоотдающей поверхности, выбирается из условия 0,1πd_вп/h_н≥n≥0,

где h_н - толщина нижнего потока, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности, что обеспечивается также тем, что нижний поток, движущийся по выпуклой теплоотдающей поверхности, закручивают.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности, что обеспечивается также тем, что верхний закрученный поток, удаленный от выпуклой поверхности, предварительно делят на ряд потоков m, сдвинутых по фазе, причем m выбирается из условия ,

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности, что обеспечивается тем, что число продольных ребер n, размещенных на выпуклой поверхности, выбирается из условия 0,1πd_вп/δ≥n≥0, где δ - высота зазора, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности, что обеспечивается тем, что ребра на выпуклой теплоотдающей поверхности выполнены в виде нижнего закручивающего устройства, причем угол закрутки ϕ_н нижнего закручивающего устройства направлен противоположно углу закрутки верхнего закручивающего устройства ϕ_в, а шаг закрутки нижнего закручивающего устройства лежит в диапазоне 0<Т_н<∞, где Т_н - шаг закрутки нижнего закручивающего устройства.

Технический результат достигается также тем, что закручивающее устройство, удаленное от выпуклой поверхности, выполнено многозаходным, причем число ходов m выбирается из условия , где Δ=(D_н-d_вп)/2, D_н - наружный диаметр закручивающего устройства, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

Достижение технического результата обеспечивается за счет того, что происходит взаимодействие верхнего закрученного потока, удаленного от выпуклой теплоотдающей поверхности, и нижнего транзитного потока, поданного на выпуклую теплоотдающую поверхность. Транзитный поток - это поток, движущийся вдоль выпуклой теплоотдающей поверхности - шаг закрутки равен бесконечности.

Для увеличения теплосъема на тепловыделяющей поверхности 1 выполнены продольные ребра 4, имеющие общую границу по жидкости с закрученным потоком, который создается верхним закручивающим устройством 2. Благодаря наличию жидкой границы окружные скорости в ячейках равны окружной скорости, образованной закручивающим устройством 3, фиг. 1, U=(T/πd_вn)W, где d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности, Т - шаг закрутки, W - средняя скорость набегающего потока. Наличие твердых границ и жидкой границы, имеющей окружную скорость, способствует образованию микровихрей с центрами вращения в межреберном пространстве, радиус вращения которых порядка высоты зазора (высоты ребер) (r~δ). Так как δ≈0.1÷0.5 мм, что значительно меньше d_вп, центробежные ускорения g*, создаваемые микровихрями, значительно выше g основного закручивающего потока g*>>g (d_вп>>δ), g*=U²/г. Благодаря значительному увеличению g* усиливаются эффекты, связанные с выбросом влаги на выпуклую теплоотдающую поверхность и отсоса пара с поверхности.

Для увеличения эффекта возникающего при взаимодействии закрученного потока и продольных ребер необходимо правильно выбрать число продольных ребер. Известно, что при обтекании потоком поперечных ребер основные эффекты интенсификации теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности достигаются в зоне присоединения вихря к поверхности (Интенсификация теплообмена в каналах / Э.К Калинин., Г.А Дрейцер, С.А Ярхо. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. 208 с. [3]). На основе рекомендаций по выбору оптимального соотношения между высотой диафрагм и шагом между ними [3] определено оптимальное число продольных ребер на выпуклой поверхности 0,1πd_вп/δ≥n≥0, где δ - высота зазора, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности

Благодаря взаимодействию верхнего закрученного потока удаленного от выпуклой теплоотдающей поверхности и нижнего закрученного потока, движущегося вдоль выпуклой поверхности образуются дополнительные микровихри, взаимодействующие с теплоотдающей поверхностью. Взаимодействие вихрей с теплоотдающей поверхностью приводит к интенсивному тепло-массообмену между ядром потока и пристенным слоем и, соответственно, к повышению интенсивности теплосъема.

Достижение технического результата обеспечивается также тем, что на выпуклой теплоотдающей поверхности размещено закручивающее устройство, причем угол закрутки нижнего закручивающего устройства ϕ_н направлен противоположно углу закрутки верхнего закручивающего устройства ϕ_в, а шаг закрутки закручивающего устройства, размещенного на выпуклой поверхности, лежит в диапазоне 0<Т_н<∞, где Т_н - шаг закрутки нижнего закручивающего устройства.

Достижение технического результата обеспечивается также тем, что верхний закрученный поток, удаленный от выпуклой поверхности, предварительно делят на ряд потоков m, сдвинутых по фазе, причем m выбирается из условия , где h_в - толщина верхнего потока, поданного на выпуклую теплоотдающую поверхность, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

Достижение технического результата обеспечивается также тем, что верхнее закручивающее устройство, удаленное от выпуклой поверхности, выполнено многозаходным, причем число ходов m выбирается из условия , где Δ=(D_н-d_вп)/2, D_н - наружный диаметр закручивающего устройства, d_вп - диаметр выпуклой теплоотдающей поверхности.

На фиг. 1-5 представлены различные варианты устройств для реализации способа повышения теплосъема на выпуклых теплоотдающих поверхностях.

На фиг. 1 представлен вариант устройства для реализации п. 1, 4. формулы. Реализация предложенного технического решения в этом случае выглядит следующим образом, фиг. 1. На фиг. 1 1 - выпуклая теплоотдающая поверхность, 2 - верхнее закручивающее устройство, 3 - продольный зазор - δ, 4 - продольные ребра.

На фиг. 2, 3 представлен вариант устройства для реализации п. 2, 5 формулы. Реализация предложенного технического решения в этом случае выглядит следующим образом, фиг. 2, 3. На фиг. 2, 3 1 - выпуклая теплоотдающая поверхность, 2 - верхнее закручивающее устройство, 3 - продольный зазор - δ, 4 - нижнее закручивающее устройство.

На фиг. 4, 5 представлены варианты устройства для реализации п. 3, 6 формулы. Реализация предложенного технического решения в этом случае выглядит следующим образом, фиг. 4, 5.

На фиг. 4 1 - выпуклая теплоотдающая поверхность, 2 - верхнее закручивающее устройство, 3 - продольный зазор.

На фиг. 5 1 - выпуклая теплоотдающая поверхность, 2 - верхнее закручивающее устройство, 3 - продольный зазор, 4 - продольные ребра.

Способ осуществляется следующим образом.

На выпуклую теплоотдающую поверхность подают предварительно разделенный на два потока теплоноситель, верхний поток, удаленный от выпуклой теплоотдающей поверхности, закручивают, а нижний поток, поданный на выпуклую теплоотдающую поверхность, делят на n потоков. Далее теплоноситель закручивается верхним закручивающим устройством.

Верхний закрученный поток взаимодействует с нижним закручивающим устройством. Благодаря взаимодействию закрученных потоков образуются трехмерные вихри значительно меньшего масштаба, чем те, которые образуются за счет закрутки потока верхним устройством.

Взаимодействие вихрей приводит к интенсивному тепло-массообмену между ядром потока и пристенными слоями вблизи выпуклой поверхности и, соответственно, к повышению интенсивности теплосъема на выпуклой теплоотдающей поверхности.

Экспериментальная проверка выполнена на кольцевом канале, трубка с закручивающими устройствами помещалась в кольцевой канал, исследовался теплосъем и кризис теплоотдачи на выпуклой теплоотдающей поверхности. Тепловыделение достигалось прямым пропусканием тока через стенку внутренней трубки [4,5]. Исследования показали, что коэффициенты теплоотдачи на выпуклой теплоотдающей поверхности и критические тепловые потоки при использовании закрученного и дополнительного закрученного потока значительно выше коэффициентов теплоотдачи и критических тепловых потоков на гладкой теплоотдающей поверхности (в два, три раза).

Таким образом, предлагаемый способ интенсификации теплосъема позволяет значительно повысить теплосъем на теплоотдающих поверхностях. Благодаря взаимодействию основного и дополнительного закрученных потоков происходит образование трехмерных вихрей, взаимодействующих с теплоотдающей поверхностью. Взаимодействие вихрей с теплоотдающей поверхностью приводит к интенсивному тепломассообмену между ядром потока и пристенным слоем и, соответственно, к повышению интенсивности теплосъема.

Источники информации

1. Болтенко Э.А. Кризис теплообмена в кольцевых каналах с закруткой потока // Теплоэнергетика, 2003, №11. с. 25-30.

2. Патент России 2295785, МПК³ G21C 3/34, F28F 13/12. Тепловыделяющая сборка / Э.А. Болтенко // Заявка №2005108295 от 24.03.2005. Бюл. №8. 2007 г.

3. Интенсификация теплообмена в каналах / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. 208 с.

4. Э.А. Болтенко Кризис теплоотдачи и распределение жидкости в парогенерирующих каналах. - М.: Радуга, 2015 г. 280 с.

5. Болтенко Э.А. Исследование кризиса теплоотдачи на теплоотдающих поверхностях кольцевых каналов с закруткой и транзитным потоком / Теплоэнергетика, 2016, №10, с. 38-45.