Результат интеллектуальной деятельности: Теплообменная поверхность

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах.

Известна поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена [Поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена / Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А. // Патент РФ №2425260. Заявка 2009111020/06 от, 31.08.2006. Опубликовано 27.07.2011 Бюл. №21]. Поверхность характеризуется тем, что на гладкой поверхности с защитным слоем или без него выполнены углубления, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми и вогнутыми поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углубления с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклых поверхностей образующих скаты, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем.

Недостатком теплообменной поверхности является низкая тепловая и теплогидравлическая эффективность и высокие потери энергии потока на трение.

Известна теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных углублений, отличающаяся тем, что углубления выполнены овально-траншейной формы [Патент РФ №2684303. МПК F28F 3/04 . Заявка 2018121892, 13.06.2018. Опубликовано: 05.04.2019 Бюл. №10], состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрической вставкой длиной l, развернутых под углом ϕ к набегающему потоку, с геометрическими соотношениями: l/b=4,7-5,78 или l_к/b=5,57-6,78; ϕ=45°; h/b=0,18-0,37; r=0,025b, где - длина цилиндрической части углубления, мм; - длина углубления, мм; - глубина, мм; b - ширина углубления, мм; r - радиус скругления кромок углубления, мм; ϕ - угол натекания потока на углубление, градусы.

Недостатком теплообменной поверхности является недостаточные тепловая и теплогидравлическая эффективности.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных углублений, отличающаяся тем, что углубления выполнены овально-дуговой формы [Патент РФ № 2716958, МПК F28F 3/04. 17.03.2020. Заявка: 2019124260, 26.07.2019. 17.03.2020 Бюл. №8], состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрическим торообразным сегментом длиной l таким образом, чтобы бы реализовывалось условие, что касательная к данному сегменту составляла угол ϕ=45° по отношению к направлению потока в начале углубления и угол ϕ=0° в конце углубления с геометрическими соотношениями: l/b=4,7-5,78 или l_к/b=5,57-6,78; h/b=0,18-0,37; r=0,025b, где - длина цилиндрической части углубления, мм; - длина углубления, мм; - глубина, мм; b - ширина углубления, мм; r - радиус скругления кромок углубления, мм; ϕ - угол натекания потока на углубление, градусы.

Недостатком теплообменной поверхности является недостаточная теплогидравлическая эффективность.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание теплообменной поверхности с повышенной теплогидравлической эффективностью.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в увеличении тепловой и теплогидравлической эффективности теплообменной поверхности.

Технический результат достигается за счет того, что теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя выполнена в виде периодически нанесенных углублений. Новым является то, что углубления выполнены в форме бумеранга, состоящего из двух половинок сферической выемки радиусом R, соединенных цилиндрическими сегментами длиной l=l₁+l₂ шириной b таким образом, чтобы бы реализовывалось условие, что ось сегмента длиной l₁ составляла угол ϕ=45° по отношению к направлению потока в начале углубления и угол 0° к оси сегмента углубления длиной l₂ (фиг.1), с геометрическими соотношениями:

относительной глубиной l/b=4,7-5,78 или l_к/b=5,57-6,78,

относительной глубиной h/b=0,18-0,37;

соотношение длин l_2/l₁=0,5-0,6;

радиус скругления кромок r=0,025b;

=l₁+l₂ - длина цилиндрической части углубления, мм;

- длина углубления, мм;

- глубина, мм;

- радиус половинок сферической выемки, мм;

b=2R - ширина углубления, мм;

r - радиус скругления кромок углубления, мм;

ϕ - угол натекания потока на сегмент углубления длиной l₁, градусы.

Данная форма теплообменной поверхности позволяет стабильность и интенсивность вихревого течения в углублении и тем самым увеличить тепловую и теплогидравлическую эффективность теплообменной поверхности в целом.

На фигуре 1 представлен вид сверху предлагаемой теплообменной поверхности с указанием условных обозначений геометрических размеров и направления течения потока относительно теплообменной геометрии.

На фигуре 2 представлен поперечный разрез в сечении А-А геометрии предлагаемой теплообменной поверхности с указанием условных обозначений геометрических размеров.

На фигуре 3 представлены распределения давления на поверхности с одиночным углублением в форме бумеранга при соотношение длин l₂/l₁ от 0 до 1,0.

На фигуре 4 представлены распределения чисел Нуссельта на поверхности с одиночным углублением в форме бумеранга при соотношение длин l₂/l₁ от 0 до 1,0.

На фигуре 5 представлен график изменения тепловой эффективности Nu/Nu₀, прироста гидавлического сопротивления ξ/ξ₀ и теплогидравлической эффективности E=(Nu/Nu₀)/(ξ/ξ₀)^0,3 от соотношение длин l₂/l₁.

Данная геометрия углублений является поверхностным генератором спиралевидных высокоинтенсивных моновихрей в углублении и позволяет повысить скорость вторичного течения в нем до величин порядка характерной скорости потока в стесненном канале (среднемассовой или максимальной), что в несколько раз превышает скорости вторичного течения, индуцированные традиционными сферическими и овальными выемками, и отличается высокой стабильностью и интенсивностью вихревого течения в концевой части углубления по сравнению с аналогами в виде овальных, овально-траншейных и овально-дуговых углублений различного удлинения, обеспечивая значительное превосходство углублений в форме бумеранга по тепловой и теплогидравлической эффективности.

Сравнительный анализ теплообменных поверхностей с предлагаемой формой интенсификатора теплообмена в форме бумеранга проводился на основе численного моделирования по методологии [Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. Многоблочные вычислительные технологии в пакете VP2/3 по аэротермодинамике. Саарбрюкен: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2013. 316 с.], прошла многочисленные апробации и верификации, реализована в программном комплексе "VP2/3 Thermophysics" [Программный комплекс "VP2/3 Thermophysics" для численного моделирования вихревой интенсификации теплогидродинамических процессов в теплообменных аппаратах / Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015619439. Дата поступления 08.06.2015. Дата регистрации 03.09.2015].

Теплообменные поверхности с предлагаемой формой интенсификатора теплообмена в форме бумеранга позволяют ликвидировать низкоинтенсивные отрывные зоны с низкой скоростью вторичного течения в хвостовой части по внешнему потоку и повысить теплоотдачу в хвостовой части по сравнению с другими известными формами теплообменных поверхностей.

Результаты численного исследования распределения давления и чисел Нуссельта на поверхности с одиночным углублением в форме бумеранга представлены на фиг.3 и фиг.4, соответственно. Результаты приведены для отношения сторон углубления в форме бумеранга l₂/l₁=0-1,0 для чисел Рейнольдса Re_d=10⁴. При этом необходимо указать, что при l₂/l₁=1,0 углубление является овально-траншейным.

Суммарное число Нуссельта Nu рассчитывается на контрольной площади окружающего углубление прямоугольного участка с учетом увеличения криволинейной поверхности выемки. Гидравлические потери ξ определяются по границам контрольного участка с углублением. Для сравнения рассчитывается число Нуссельта Nu₀ и коэффициент гидравлического сопротивления ξ₀ для ровной плоской поверхности, той же площади, что и для поверхности с углублением. Теплогидравлическая эффективность E=(Nu/Nu₀)/(ξ/ξ₀)^0,3 рассчитывается как отношение тепловой эффективности Nu/Nu₀ на выделенном участке к относительным гидравлическим потерям ξ₎/ξ₀ на границах участка.

В ходе численных исследований показано, что темп возрастания тепловой эффективности значительно опережает рост гидравлических потерь. Тепловая эффективность поверхности с углублением в форме бумеранга также максимальна при соотношении длин l₂/l₁=0,5 и составляет Nu/Nu₀=1,115. Для сравнения для поверхности с овально-траншейным углублением (l₂/l₁=1,0) тепловая эффективность ниже - Nu/Nu₀=1,09.

Гидравлические потери на участке поверхности с углублением в форме бумеранга также максимальны при соотношении длин l₂/l₁=0,5 и составляют ξ/ξ₀=1,17. Однако для поверхности с овально-траншейным углублением (l₂/l₁=1,0) прирост гидравлического сопротивления ниже - ξ/ξ₀=1,127.

В итоге, максимальная теплогидравлическая эффективность Е=1,06 получена для углубления в форме бумеранга с относительным удлинением l_к/b=(l₁+l₂+b)/b=6,78 при соотношении длин l₂/l₁=0,5-0,6. Причем для сферического углубления E<1 при учете увеличения площади омываемой стенки канала. Для поверхности с овально-траншейным углублением (l₂/l₁=1,0) теплогидравлическая эффективность ниже - Е=1,05, чем для углубления в форме бумеранга.

Как показали расчеты, такие углубления в форме бумеранга обладают преимуществом по отношению к овально-траншейным углублениям по тепловой и теплогидравлической эффективностям.

Для обеспечения максимальной теплогидравлической эффективности рекомендуется 50-60% отклонение хвостовой части овально-траншейной выемки по потоку, т.е. рекомендуемое значение l₂/l₁=0,5-0,6 (фиг. 5).

Таким образом, сравнение предлагаемой конструкции теплообменной поверхности с углублениями в форме бумеранга по теплогидравлической эффективности (критерию аналогии Рейнольдса) с поверхностью с овально-траншейными углублениями, которые превосходят сферические и овальные, показывает преимущество углублений в форме бумеранга при соблюдении геометрических соотношений размеров углубления: l/b=4,7-5,78 или l_к/b=5,57-6,78; l_2/l₁=0,5-0,6; ϕ=45°; h/b=0,18-0,37; r=0,025b, длиной l₁, градусы.