CZ2016125A3 - A method and a device for cooling bodies of cylindrical shape with a flow of cooling fluid - Google Patents
A method and a device for cooling bodies of cylindrical shape with a flow of cooling fluid Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2016125A3 CZ2016125A3 CZ2016-125A CZ2016125A CZ2016125A3 CZ 2016125 A3 CZ2016125 A3 CZ 2016125A3 CZ 2016125 A CZ2016125 A CZ 2016125A CZ 2016125 A3 CZ2016125 A3 CZ 2016125A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- synthesized
- stream
- generator
- coolant
- cooling
- Prior art date
Links
Abstract
Způsob chlazení těles válcového tvaru proudem chladicí tekutiny, při němž se na povrch tělesa přivádí alespoň jeden proud chladicí tekutiny, přičemž uvedený proud je syntetizovaným proudem, jehož vnitřní část dopadá na stagnační přímku na povrchu tělesa a vnější části obtékají těleso. Syntetizovaným proudem může být s výhodou hybridní syntetizovaný proud. Zařízení k provádění způsobu obsahuje nejméně jeden generátor (3, 12, 21) syntetizovaného proudu (7, 14, 22) chladicí tekutiny, který je opatřen alespoň jednou štěrbinovou tryskou (6, 15), pro vytváření syntetizovaného proudu (7, 14) chladicí kapaliny a jeho směrování na stagnační přímku (8, 16) na povrchu tělesa (2). Generátor může být s výhodou generátorem (21) hybridního syntetizovaného proudu.A method of cooling cylindrical bodies by a coolant flow, wherein at least one coolant stream is fed to the body surface, said stream being a synthesized stream whose inner part impinges on the stagnation line on the body surface and the outer part bypasses the body. The stream to be synthesized may preferably be a hybrid synthesized stream. The apparatus for carrying out the method comprises at least one generator (3, 12, 21) of a coolant stream (7, 14, 22) synthesized, which is provided with at least one slot nozzle (6, 15) for generating the synthesized stream (7, 14) of the coolant. the liquid and directing it to the stagnation line (8, 16) on the surface of the body (2). The generator may preferably be a hybrid synthesized current generator (21).
Description
Způsob a zařízení pro chlazení těles válcového tvaru proudem chladicí tekutiny
Oblast techniky
Vynález se týká způsobu a zařízení pro chlazení těles válcového tvaru proudy chladicí tekutiny pro použití v nejrůznějších oblastech techniky, zejména v průmyslu elektrotechnickém, strojírenském, chemickém, biochemickém a potravinářském.
Dosavadní stav techniky Běžný způsob chlazení horkých těles válcového tvaru chladnější tekutinou je založen na přirozené konvekci (jiné označení je volná konvekce) nebo nucené konvekci. Dosahované hodnoty součinitele přestupu tepla u přirozené konvekce jsou 2 poměrně malé. Konkrétně, hodnoty 5 * 30 W/(m K) v plynech a 20 * 1000 W/(m K) v kapalinách uvádí Ji ji (Heat Convection,
2006). Šesták a Rieger (Přenos hybnosti, tepla a hmoty, ČVUT ai* , 2
Pcaha, 1998) uvádějí obdobné údaje, konkrétně 5 Jí- 15 W/(m K) aí' , v plynech a 50 ^ 1000 W/(m K) v kapalinách. Nucenou konvekci možno dosáhnout řádově vyšších' hodnot součinitele přestupu <uy tepla, přičemž Ji ji (Heat Convection, 2006) uvádí 20 -* 300 W/ (m2K) v plynech a 50 2(^000 W/ (m2K) v kapalinách a Šesták a
Rieger (Přenos hybnosti, tepla a hmoty, ČVUT Praha, 1998) uvádějí 10 iř 100 W/(m2K) v plynech a 3000 % 1(^000 W/(m2K) v kapalinách. Při nucené konvekci nutno chladicí tekutinu uvádět do pohybu vhodným zařízením, kterým bývají točivé stroje jako např. ventilátor nebo dmychadlo nebo kompresor v případě plynů, popřípadě čerpadlo v případě kapalin. Kromě toho nutno tekutinu dopravovat vhodným potrubím a rozvodem do míst, kde je požadován chladicí účinek. Ještě vyšších hodnot součinitele přestupu tepla možno dosáhnout v tekutých kovech a dvoufázových tekutinách při varu chladicí tekutiny - oba tyto případy vyžadují komplikované zařízení s uzavřeným okruhem chladicí tekutiny. Nejvyšších hodnot součinitele přestupu tepla při konvekci možno dosahovat v případě impaktního proudění (Korger, Patentový spisVÍ16190; Korger a Křížek, Součinitele přenosu hmoty při impaktním proudění ze štěrbinových trysek, Strojírenství 17, 1967, 536-541), kdy tekutina vytéká z trysek, proudí přibližně kolmo na chlazený povrch a dopadá na něj v podobě jednotlivých impaktních proudů. Jiný název pro chlazení pomocí impaktních proudů je nárazové chlazení, jak je uvedeno v patentové přihlášce autorů Yu a kol. (PV 2000-4335) . ^
Použití impaktního proudění vyžaduje, jako ostatní případy vynucené konvekce, vhodné zařízení pro uvedení tekutiny do pohybu. Tím bývají točivé stroje jako např. ventilátor, dmychadlo, kompresor nebo čerpadlo. Dále je zapotřebí vhodné potrubí a rozvod do míst, kde je požadován chladicí účinek.
Pro chlazení horkých těles válcového tvaru při nucené konvekci v plynech nebo kapalinách možno umístit tato tělesa do proudící tekutiny. Směr proudění může být rovnoběžný s osou těles nebo kolmý na tuto osu. Nejvyšších hodnot součinitele přestupu tepla bylo dosaženo při obtékání ustáleným proudem tekutiny ze štěrbinových trysek, při směru proudění kolmém na osu válce (Nada, Slot/slots air jet impinging cooling of a cylinder for different jets-cylinder configurations, Heat Mass Transfer 43, 2006, 135-148). Jak bylo experimentálně prokázáno, při umístění válce do ustáleného proudu tekutiny ze štěrbinové trysky možno dosáhnou vyšších hodnot součinitele přestupu tepla než při obtékání válce příčným homogenním * * mz proudovým polem o stejné rychlosti proudění - viz McDaniel, Webb, Slot jet impingement heat transfer from circular cylinders, Int. J. Heat Mass Transfer 43 (2000) 1975-1985.
Jiným příkladem chlazení horkých těles válcového tvaru při nucené konvekci je chlazení konce optického vlákna, který xp navrhují autoři Hatjasalo a Johansson (patentový spisV296323) , -kdy chladicí vzduch proudí podél osy optického vlákna směrem k jeho konci, přičemž pohyb chladicího vzduchu zajišťuje ventilátor.
Nevýhodou výše uvedených způsobů a zařízení pro chlazení těles je relativně nízká účinnost chlazení vyjádřená hodnotou součinitele přestupu tepla a poměrná složitost chladicího zařízení spojená s jeho vyšší poruchovostí a nákladností. Cílem tohoto vynálezu je odstranit nevýhody dosavadního stavu techniky, kterými jsou jednak poměrně malý střední součinitel přestupu tepla při chlazení válcových těles pomocí přirozené konvekce, jednak poměrně složité zařízení při chlazení válcových těles pomocí nucené konvekce, kdy je nutno použít běžný zdroj pohybu tekutiny, jakým bývají točivé stroje jako např. ventilátor, dmychadlo, kompresor nebo čerpadlo.
Podstata vynálezu
Nevýhody dosavadního stavu techniky a cíle vynálezu splňuje způsob chlazení tělesa válcového tvaru proudem chladicí tekutiny, při němž se na povrch tělesa přivádí alespoň jeden proud chladicí tekutiny, jehož podstata spočívá v tom, že uvedený proud je syntetizovaným proudem, jehož vnitřní část dopadá na stagnační přímku na povrchu tělesa a vnější části obtékají těleso.
Podle jednoho z výhodných provedení se syntetizovaný proud přivádí na povrch tělesa ve směru přibližně kolmém k podélné ose tělesa.
Podle dalšího z výhodných provedení se na povrch tělesa přivádí z opačných stran dva syntetizované proudy.
Podle dalšího z výhodných provedení alespoň jedním ze syntetizovaných proudů je hybridní syntetizovaný proud.
Chladicí tekutinou může být jakýkoliv plyn nebo kapalina nebo směs plynů nebo směs kapalin nebo dvoufázová směs plynu a kapaliny. Předmětem vynálezu je rovněž zařízení k provádění uvedeného způsobu, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje nejméně jeden generátor syntetizovaného proudu chladicí tekutiny, který je opatřen alespoň jednou štěrbinovou tryskou, pro vytváření syntetizovaného proudu chladicí kapaliny a jeho směrování na stagnační přímku na povrchu tělesa.
Generátor je s výhodou umístěn otvorem své trysky směřujícím přibližně kolmo k podélné ose tělesa.
Podle jednoho z výhodných provedení zařízení obsahuje dva generátory umístěné na opačných stranách tělesa.
Podle dalšího z výhodných provedení alespoň jedním z generátorů je generátor hybridního syntetizovaného proudu obsahující alespoň jednu fluidickou diodu, která propojuje dutinu generátoru s okolním prostředím.
Generátor a těleso jsou s výhodou uchyceny ke společnému rámu.
Podle jednoho z výhodných provedení ústí štěrbinové trysky generátoru má kratší a delší hranu, přičemž delší hrana ústí je přibližně rovnoběžná s podélnou osou tělesa a zároveň tato osa leží přibližně v rovině symetrie štěrbinové trysky.
Chladicí tekutinou je plyn nebo kapalina nebo směs plynů nebo směs kapalin nebo dvoufázová směs plynu a kapaliny.
Chladicí tekutinou může být vzduch, voda, oxid uhličitý (R-744), nebo organické sloučeniny s poměrně vysokou molekulární hmotností oproti vodě. Tělesem určeným k ochlazování je s výhodou elektronická součástka, ve které je elektrickým proudem generováno teplo, nebo s výhodou optické vlákno.
Vynález bude blíže osvětlen pomocí příkladů provedení s odkazem na připojené výkresy, na nichž znázorňuje: - obr. 1 schéma prvního příkladu provedení zařízení podle vynálezu v řezu kolmém na osu chlazeného válce s jedním generátorem syntetizovaného proudu a jednou štěrbinovou tryskou^ - obr. 2 závislost středního součinitele přestupu tepla pro přirozenou konvekci, vyjádřená v podobě závislosti středního Nesseltova čísla na Grashofově čísle, pro zařízení z obr. 1 při vypnutém generátoru syntetizovaného proudu a porovnáni se závislosti známou z odborné literatury^' f - obr. 3 porovnáni výsledků při přirozené konvekci se zařízením podle obr. 1 s vypnutým generátorem syntetizovaného proudu s výsledky s tímto zařízením při nucené konvekci tedy se zapnutým generátorem syntetizovaného proudu^ - obr. 4 schéma druhého příkladu provedení zařízení podle vynálezu v řezu kolmém na osu chlazeného válce s dvojicí generátorů syntetizovaných proudů^ a - obr. 5 schéma třetího příkladu provedení zařízení podle vynálezu v řezu kolmém na osu chlazeného válce s jedním generátorem hybridního syntetizovaného proudu.
Na obr. 1 je první příklad provedení zařízení podle vynálezu s jedním generátorem 3 syntetizovaného proudu 1_ a jednou štěrbinovou tryskou 6. Zobrazení je provedeno v řezu, kolmém na osu tělesa 2 válcového tvaru. Osou tělesa 2 se pro účely tohoto vynálezu míní podélná osa tělesa 2. K rámu 1 je připevněno těleso 2 a generátor 3 syntetizovaného proudu 1_, jehož dutina £ je propojena s okolím prostředím 5 štěrbinovou tryskou 6. Chladicí tekutina z okolního prostředí 5 je generátorem 3 formována do podoby syntetizovaného proudu 1_, který směřuje od štěrbinové trysky 6 na těleso 2. Vnitřní část syntetizovaného proudu 7 dopadá na stagnačni přímku _8 na povrchu tělesa 2. Jelikož schéma na obr. 1 je nakresleno v řezu kolmém na osu tělesa 2, je stagnačni přímka £ zobrazena jako bod na kružnici, zobrazující povrch tělesa 2. Vnější části syntetizovaného proudu 7 obtékají povrch tělesa 2_ v podobě horní části 9 proudu a spodní části 10_ proudu. Horní část 9 proudu a spodní část 10 proudu obtékají těleso 2_ a následně pak formují úplav _11, kterým chladicí tekutina proudí od tělesa 2 přibližně opačným směrem, než přitéká v podobě syntetizovaného proudu Teplota chladicí tekutiny v syntetizovaném proudu 1_ je nižší než teplota tělesa 2, a proto dochází k ochlazování tělesa 2 nucenou konvekcí. Mechanismus sdílení tepla ve stagnační přímce S_ odpovídá případu impaktního proudu.
Obr. 2 ukazuje závislost středního Nusseltova čísla na Grashofově čísle pro přirozenou konvekci. Střední Nuseltovo číslo, které je bezrozměrným vyjádřením středního součinitele přestupu tepla ze stěny tělesa 2 do chladicí tekutiny v okolním prostředí _5, je vypočteno podle vzorce Nu = hD/k, kde h je střední součinitel přestupu tepla, D je průměr válce tělesa 2 a k je tepelná vodivost chladicí tekutiny. Grashofovo číslo, které je parametrem kvantifikujícím přirozenou konvekci, je vypočteno podle vzorce Gr = ςβ (Γ„-Γ.) D3/v2, kde g je velikost gravitačního zrychlení, β je teplotní objemová roztažnost chladicí tekutiny, Tw je teplota povrchu válce tělesa 2, Τ» je teplota chladicí tekutiny v okolím prostředí 5 a v je kinematická viskozita chladicí tekutiny. Látkové vlastnosti γ a v jsou vyhodnocovány pro střední teplotu T = (!Γ„+Γ»)/2. Na obr. 2 jsou vyneseny hodnoty získané vlastní experimentem s modelem zařízení podle obr. 1, přičemž generátor 3 byl při tomto experimentu vypnut a proto sdíleni tepla z válce tělesa 2 do okolního prostředí _5 probíhalo jako přirozená konvekce. Válec tělesa 2 o průměru D = 1,21 mm je vyroben z nerezové trubice. Chladicí tekutinou v okolním prostředí 5 je čistá voda. Ohřev tělesa 2 při experimentu se provádí průchodem elektrickým proudem. Topný příkon je vyjádřen podle vzorce P = U I, kde U je elektrické napětí naměřené na zkoumané délce tělesa 2, která činí L = 35,5 mm, a I je naměřený elektrický proud. Jelikož topný příkon P je roven tepelnému výkonu, který je teplo přenášeno z válce do chladicí tekutiny, bylo vyhodnocení experimentu provedeno vyjádřením středního součinitele přestupu tepla podle vzorce h = P/ [A( Tw-T~) ], kde A je teplosměnná plocha, kterou je obtékaný povrch válce, A = LID. Vyhodnocený středního součinitel přestupu tepla h byl následně přepočten do bezrozměrného tvaru středního Nusseltova čísla Nu = hD/k, které je vynášeno v grafu na obr. 2. Takto získané hodnoty, které jsou v obr. 2 označeny jako "vlastní experiment", jsou v obr. 2 porovnány se závislostí známou z odborné literatury (Morgan, The overall convective heat transfer from smooth circular cylinders, Advances in Heat Transfer 11, 1975, 199- 264). Obr. 2 demonstruje velmi dobrou shodu výsledků vlastního experimentu s dostupnými poznatky.
Obr. 3 porovnává výsledky dvou vlastních experimentů. Přitom první experiment byl proveden při vypnutém generátoru 3, kdy chlazení tělesa 2 probíhalo přirozenou konvekcí, tedy stejným způsobem, jako u výše popisovaného případu, jehož výsledky jsou na obr. 2. Druhý experiment byl proveden při zapnutém generátoru 3, kdy chlazení válce probíhalo nucenou konvekcí pomocí syntetizovaného proudu ]_ podle obr. 1. Generátor 3^ pracuje na piezoelektrickém principu a šířka jeho štěrbinové trysky činí 0,36 mm. Velikost mezery mezi štěrbinovou tryskou a povrchem válce činí 3,6 mm. Elektrický příkon generátoru 3 byl 27 mW. Velikost středního Nusseltova čísla při přirozené konvekcí byla vyhodnocena Nu = 1,7 až 3,2 ve zkoumaném rozsahu tepelných výkonů P = 0,2 W až 5,1 W. Ve stejném rozsahu tepelných výkonů bylo dosaženo středního Nusseltova čísla při nucené konvekcí 10,3 až 13,5. Obr. 3 tak prokazuje významné zvýšení středního Nusseltova čísla nucenou konvekcí pomocí syntetizovaného proudu ]_. Konkrétně, nucenou konvekcí pomocí syntetizovaného proudu 1_ bylo dosaženo 4,2krát až 6,2krát vyšších hodnot středního Nusseltova čísla, ve srovnání s přirozenou konvekcí.
Na obr. 4 je druhý příklad provedení zařízení podle vynálezu s dvojicí generátorů 3, 12 syntetizovaných proudů, z nichž každý má štěrbinovou trysku 6, L5. Zobrazení je provedeno v řezu kolmém na osu tělesa 2. K rámu 1 je připevněno těleso 2 a dvojice generátorů _3, 12 syntetizovaných proudů 2 a ii.· Dutiny 4 a 13^ obou generátorů 3 a 12^ jsou propojeny s okolním prostředím _5 štěrbinovými tryskami 6 a 15. Chladicí tekutina z okolního prostředí 2 3e generátory 3 a 12 formována do podoby syntetizovaných proudů 1_ a 1_4, které směřují na těleso 2. Vnitřní část syntetizovaného proudu 1_ dopadá na stagnační přímku 2 na povrchu tělesa 2 a vnitřní část syntetizovaného proudu 14_ dopadá na stagnační přímku Ij6 na povrchu tělesa 2. Jelikož schéma na obr. 4 je nakresleno v řezu kolmém na osu chlazeného tělesa 2, jsou obě stagnační přímky 1_6 zobrazeny jako body na kružnici, zobrazující povrch tělesa 2. Vnější části syntetizovaného proudu 1_ obtékají povrch tělesa 2 v podobě horní části 9 proudu a spodní části 10 proudu. Obdobně obtékají vnější části syntetizovaného proudu 1A_ povrch tělesa 2 v podobě horní části 17 proudu a spodní části 18^ proudu. Chladicí tekutina odtéká od tělesa 2 v podobě horního proudu 19_ a spodního proudu 20. Teplota chladicí tekutiny v syntetizovaných proudech 7 a 14 je nižší než teplota tělesa 2, proto dochází k ochlazování tělesa 2 nucenou konvekcí. Mechanismus sdílení tepla ve stagnačních přímkách 2 a 16 odpovídá případu impaktního proudu.
Na obr. 5 je zobrazen třetí příklad provedení zařízení podle vynálezu s jedním generátorem 21 hybridního syntetizovaného proudu 22. a jednou štěrbinovou tryskou 6. Zobrazení je provedeno v řezu kolmém na osu tělesa 2. K rámu 1 je připevněno těleso 2 a generátor 21 hybridního syntetizovaného proudu 22_. Dutina :23 je propojena s okolím prostředím 5^ jednak štěrbinovou tryskou 6, jednak fluidickou diodou 2_4. Časově střední průtok fluidickou diodou 24_ směřuje z okolního prostředí 5 do dutiny 23. Z toho důvodu směřuje proud 25i přisávané tekutiny z okolního prostředí 5 do dutiny 23 a hybridní syntetizovaný proud 22 má pozitivní časově střední průtok. Chladicí tekutina z okolního prostředí 5 a tekutina přisávaná do dutiny 2_3 jako proud 25 přisávané tekutiny jsou generátorem 21 formovány do podoby hybridního syntetizovaného proudu 22^ který směřuje od štěrbinové trysky 6 na těleso 2. Vnitřní část hybridního syntetizovaného proudu 22 dopadá na stagnační přímku 8_ na povrchu tělesa 2. Jelikož schéma na obr. 5 je nakresleno v řezu kolmém na osu tělesa 2, je stagnační přímka 8_ zobrazena jako bod na kružnici zobrazující povrch tělesa 2. Vnější části hybridního syntetizovaného proudu 22^ obtékají povrch tělesa 2 v podobě horní části 2j5 proudu a spodní části 2J_ proudu. Horní část 26 proudu a spodní část 2J_ proudu obtékají těleso 2 a následně pak formují úplav 1_1, kterým chladicí tekutina proudí od tělesa 2 přibližně opačným směrem, než přitéká v podobě hybridního syntetizovaného proudu 22. Teplota chladicí tekutiny v hybridním syntetizovaném proudu 22_ je nižší než teplota tělesa 2, proto dochází k ochlazování tělesa 2 nucenou konvekcí. Mechanismus sdílení tepla ve stagnační přímce 3 odpovídá případu impaktního proudu. Výše popsané první a druhý příklad provedení zařízení podle vynálezu využívají k ochlazování syntetizované proudy. Pro tyto syntetizované proudy platí, že mají časově střední hmotnostní průtok tekutiny tryskou 6 generátoru 3, 12 v ustáleném režimu nulový, a teprve v určité vzdálenosti od trysky 6 má tekutinový proud nenulovou časově střední složku hmotnostního toku, kterou získá přisáváním okolní tekutiny. Použití syntetizovaných proudů přináší řadu výhod. Hlavní výhodou je relativní jednoduchost celého zařízení podle vynálezu, neboť tekutinové proudy jsou generovány bez nutnosti použít pro uvedení tekutiny do pohybu nějaké další zařízení, jakým bývají točivé stroje jako např. ventilátor, dmychadlo, kompresor nebo čerpadlo. Rovněž není nutno používat přívodní potrubí a rozvody. To přináší úspory na obestavěném prostoru, hmotnosti i ceně zařízení. Navíc odpadají i potenciální zdroje poruch zařízení, kterými bývají uvedené točivé stroje. Třetí příklad provedení zařízení podle vynálezu, který byl výše popsán, využívá hybridní syntetizovaný proud, který na rozdíl od syntetizovaného proudu získává nenulovou časově střední složku hmotnostního toku hned při výtoku tryskou 6 z generátoru 21. Příčinou je vhodný způsob přisávání tekutiny do generátoru 2_1 prostřednictvím fluidické diody 24_. Hybridní
Cj| syntetizované proudy dosahují vyšší* parametrů ve srovnání s běžnými syntetizovanými proudy, konkrétně vyšší objemové účinnosti a vyšší energetické účinnosti. Přitom použití hybridních syntetizovaných proudů zachovává všechny výhody použití běžných syntetizovaných proudů a navíc umožňuje dosáhnout vyšších parametrů proudu, jako jsou rychlost proudění na ose proudu, tok hybnosti tekutiny a tok energie proudu.
Chladicí tekutinou může být například vzduch nebo voda nebo oxid uhličitý (R-744). Chladicí tekutinou mohou být organické sloučeniny s poměrně vysokou molekulární hmotností oproti vodě.
Chlazeným tělesem může být například elektronická součástka, ve které je elektrickým proudem generováno teplo. S výhodou může být chlazeným tělesem optické vlákno. Přínosem vynálezu oproti dosavadnímu stavu techniky je rovněž možnost dosáhnout kompaktního uspořádání celého zařízení, neboť není nutné použití žádného dalšího zařízení pro uvádění chladicí tekutiny do pohybu. Běžná zařízení k tomu účelu používají vhodného točivého stroje jako např. ventilátor, dmychadlo, kompresor nebo čerpadlo. Zařízení podle vynálezu uvádí tekutinu do pulzujícího pohybu membránou v samotném generátoru 3, 12. Další výhodou je, že tento generátor 3, 12_ neobsahuje kromě oscilující membrány žádné jiné mechanicky pohyblivé součásti, jakými bývají zpětné ventily u běžných kompresorů nebo čerpadel. Významnou výhodou oproti známým řešení je využití dvou mechanismů nucené konvekce, kterými jsou sdílení tepla z tělesa 2 do impaktního proudu ve stagnační přímce 8, 16a jejím okolí na povrchu tělesa 2 a sdílení tepla při obtékání povrchu tělesa 2_ vnějšími oblastmi proudu, což ve výsledku přispívá k významnému zvýšení středního součinitele přestupu tepla z ochlazovaného tělesa 2 do chladicí tekutiny.
Průmyslová využitelnost
Zařízení podle vynálezu je využitelné zejména pro účely chlazení v elektrotechnickém, strojírenském, chemickém, biochemickém a potravinářském průmyslu.
Seznam vztahových značek: 1 - rám 2 - těleso 3, 12 - generátory 4, 13 - dutiny generátorů 5 - okolní prostředí 6, 15 - štěrbinová tryska 7, 14 - syntetizované proudy 8, 16 - stagnační přímky 9, 17 - horní části proudu 10, 18 - spodní části proudu 11 - úplav 19 - horní proud 20 - spodní proud 21 - generátor 22 - hybridní syntetizovaný proud 23 - dutina generátoru 24 - fluidická dioda 25 - proud přisávané tekutiny 26 - horní část proudu 27 - spodní část proudu
A method and apparatus for cooling cylindrical bodies by a coolant flow
Technical field
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for cooling cylindrical bodies in coolant streams for use in a variety of engineering fields, particularly in the electrical, mechanical, chemical, biochemical and food industries.
BACKGROUND OF THE INVENTION A conventional method of cooling cylindrical hot bodies with a cooler fluid is based on natural convection (another designation is free convection) or forced convection. The achieved values of the heat transfer coefficient of natural convection are 2 relatively small. Specifically, values of 5 * 30 W / (m K) in gases and 20 * 1000 W / (m K) in liquids indicate Ji (Heat Convection,
2006). Šesták and Rieger (Momentum, Heat and Mass Transfer, CTU ai *, 2
Pcaha, 1998) disclose similar data, namely 5 W / (m K) ai, in gases and 50 ^ 1000 W / (m K) in liquids. Forced convection can achieve an order of magnitude higher heat transfer coefficient, while Heat Convection (2006) reports 20 - 300 W / (m2K) in gases and 50 2 (^ 000 W / (m2K) in liquids and Sixth and
Rieger (Momentum, Heat and Mass Transmission, CTU Prague, 1998) reports 10 ø 100 W / (m2K) in gases and 3000% 1 (000 000 W / (m2K) in liquids. equipment which is a rotary machine such as a fan or blower or a compressor in the case of gases, or a pump in the case of liquids. in liquid metals and biphasic liquids at the boiling point of the coolant - both of these require a complicated device with a closed coolant circuit The highest values of convection coefficient of heat transfer can be achieved in the case of impact flow (Korger, Patent Specification 16190; Korger and Křížek, Mass Transmission Coefficients impact flow from slit nozzles Engineering 17, 1967, 536-541), when fluid flows from the nozzles, flows approximately perpendicular to the cooled surface and impinges on it as individual impact currents. Another name for impact current cooling is impingement cooling as disclosed in Yu et al. (PV 2000-4335). ^
The use of impact flow requires, as other forced convection cases, a suitable device for moving the fluid. This makes rotating machines such as a fan, blower, compressor or pump. In addition, suitable piping and distribution is required where cooling is required.
For cooling cylindrical hot bodies in forced convection in gases or liquids, these bodies can be placed in a flowing fluid. The direction of flow may be parallel to the body axis or perpendicular to the axis. The highest heat transfer coefficient values were achieved by flowing through a steady stream of fluid from the slot nozzles, at the flow direction perpendicular to the cylinder axis (Nada, Slot / slots air jet impinging for different jets-cylinder configurations, Heat Mass Transfer 43, 2006, 135-148). As experimentally demonstrated, when the cylinder is placed in a steady stream of fluid from the slit nozzle, higher values of the heat transfer coefficient can be achieved than by passing the cylinder through the transverse homogeneous flow field of the same flow velocity - see McDaniel, Webb, Slot jet impingement heat transfer from circular cylinders, Int. J. Heat Mass Transfer 43 (2000) 1975-1985.
Another example of the cooling of hot cylindrical bodies in forced convection is the cooling of the end of the optical fiber proposed by Hatjasalo and Johansson (U.S. Pat. No. 29,6323) when cooling air flows along the axis of the optical fiber towards its end, while the cooling air moves the fan.
A disadvantage of the above-mentioned methods and apparatus for cooling bodies is the relatively low cooling efficiency expressed by the value of the heat transfer coefficient and the relative complexity of the cooling apparatus associated with its higher failure rate and cost. SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to overcome the drawbacks of the prior art, which are both a relatively small heat transfer coefficient for cooling cylindrical bodies by natural convection, and a relatively complicated device for cooling cylindrical bodies by means of forced convection, where a conventional source of fluid is used as is usually the case. rotating machines such as fan, blower, compressor or pump.
SUMMARY OF THE INVENTION
Disadvantages of the prior art and object of the invention are achieved by a method of cooling a cylindrical body by a coolant flow, wherein at least one coolant stream is fed to the body surface, the principle of which is that the current is a synthesized stream, the inner part of which strikes the stagnation line on the body surface and the outer part bypass the body.
In a preferred embodiment, the synthesized stream is fed to the body surface in a direction approximately perpendicular to the longitudinal axis of the body.
In another preferred embodiment, two synthesized streams are fed from opposite sides to the body surface.
In another preferred embodiment, at least one of the synthesized streams is a hybrid synthesized stream.
The coolant may be any gas or liquid or mixture of gases or a mixture of liquids or a two-phase mixture of gas and liquid. It is also an object of the present invention to provide a method for carrying out said method comprising at least one generator of a coolant stream synthesized having at least one slit nozzle for generating a synthesized coolant stream and directing it to a stagnation line on the body surface.
The generator is preferably positioned through an opening of its nozzle extending approximately perpendicular to the longitudinal axis of the body.
According to a preferred embodiment, the apparatus comprises two generators positioned on opposite sides of the body.
In another preferred embodiment, at least one of the generators is a hybrid synthesized current generator comprising at least one fluid diode that connects the generator cavity to the environment.
The generator and the body are preferably attached to a common frame.
According to a preferred embodiment, the orifice of the slot nozzle of the generator has a shorter and longer edge, wherein the longer edge of the mouth is approximately parallel to the longitudinal axis of the body and at the same time this axis lies approximately in the plane of symmetry of the slot nozzle.
The coolant is a gas or liquid or a mixture of gases or a mixture of liquids or a two-phase mixture of gas and liquid.
The cooling fluid may be air, water, carbon dioxide (R-744), or organic compounds of relatively high molecular weight over water. The body to be cooled is preferably an electronic component in which heat is generated by electric current, or preferably an optical fiber.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram of a first embodiment of a device according to the invention in a section perpendicular to the axis of a cooled cylinder with one synthesized current generator and one slot nozzle; FIG. the mean heat transfer coefficient for natural convection, expressed as the dependence of the mean Nesselt number on the Grashof number, for the device of Fig. 1, with the synthesized current generator turned off, and compared with the dependence known from the literature; with the apparatus of FIG. 1 with the synthesized current generator turned off with the result of this device in a forced convection, thus with the synthesized stream generator switched on; FIG. 4 is a schematic diagram of a second embodiment of the device according to the invention; FIG. 5 is a diagram of a third embodiment of the device according to the invention in a section perpendicular to the axis of the cooled cylinder with one hybrid synthesized current generator.
Fig. 1 shows a first embodiment of an apparatus according to the invention with one synthesized stream generator 3 and one slot nozzle 6. The view is in section perpendicular to the axis of the cylindrical body 2. For the purposes of the present invention, the axis of the body 2 is the longitudinal axis of the body 2. The body 2 and the generator 3 of the synthesized stream 7 are attached to the frame 1, the cavity 6 of which is connected to the environment 5 by a slit nozzle 6. The cooling fluid from the environment 5 is a generator 3 formed into a synthesized stream 7 which extends from the slit nozzle 6 onto the body 2. The inner part of the synthesized stream 7 impinges on the stagnant line 8 on the surface of the body 2. Since the scheme in Fig. 1 is drawn in a section perpendicular to the body axis 2, it is stagnant the line E is shown as a point on the circle showing the surface of the body 2. The outer parts of the synthesized stream 7 bypass the surface of the body 2 in the form of the upper part 9 of the current and the lower part 10 of the current. The upper part 9 of the stream and the lower part 10 of the stream bypass the body 2 and then form a wake 11 through which the cooling fluid flows from the body 2 in an approximately opposite direction than that flowing in the form of the synthesized stream. The temperature of the coolant in the synthesized stream 7 is lower than the temperature of the body 2, therefore, the body 2 is cooled by forced convection. The heat transfer mechanism in the stagnation line S_ corresponds to the case of the impact current.
FIG. 2 shows the dependence of the mean Nusselt number on Grashof's number for natural convection. The mean Nuselt number, which is the dimensionless expression of the mean heat transfer coefficient from the body wall 2 to the cooling fluid in the environment 5, is calculated by the formula Nu = hD / k, where h is the mean heat transfer coefficient, D is the diameter of the body roll 2 if the thermal conductivity of the cooling fluid. The Grashof number, which is a parameter quantifying natural convection, is calculated according to the formula Gr = ςβ (Γ "-Γ.) D3 / v2, where g is the magnitude of the gravitational acceleration, β is the thermal volume expansion of the coolant, Tw is the surface temperature of the cylinder 2 Is the coolant temperature in the environment 5 and v is the kinematic viscosity of the coolant. The fabric properties γ and v are evaluated for the mean temperature T = (! Γ "+ Γ») / 2. Figure 2 depicts the values obtained by the actual experiment with the apparatus model of Figure 1, with generator 3 being turned off in this experiment and therefore sharing the heat from the cylinder of body 2 to the environment 5 as a natural convection. The cylinder of body 2 with diameter D = 1.21 mm is made of stainless steel tube. The ambient liquid 5 is pure water. The heating of the body 2 during the experiment is carried out by electric current. The heating power is expressed by the formula P = UI, where U is the electrical voltage measured at the examined length of the body 2, which is L = 35.5 mm, and I is the measured electric current. Since the heating power P is equal to the heat output that heat is transferred from the cylinder to the coolant, the evaluation of the experiment was performed by expressing the mean coefficient of heat transfer according to the formula h = P / [A (Tw-T ~)], where A is the heat transfer surface, which is the flowing surface of the cylinder, A = LID. The evaluated mean heat transfer coefficient h was then recalculated into the dimensionless shape of the middle Nusselt number Nu = hD / k, which is plotted in the graph in Fig. 2. The values thus obtained, which are referred to in Fig. 2, are in Fig. 2 is compared with the one known in the literature (Morgan, The Convective Heat Transfer, Advances in Heat Transfer 11, 1975, 199-264). FIG. 2 demonstrates a very good match of the results of the experiment with the available knowledge.
FIG. 3 compares the results of two own experiments. The first experiment was carried out with the generator 3 switched off when the cooling of the body 2 proceeded by natural convection, thus in the same way as in the case described above, the results of which are shown in Figure 2. The second experiment was performed with the generator 3 switched on when the cylinder cooling was forced 1. The generator 3 operates on a piezoelectric principle and its slit nozzle width is 0.36 mm. The gap between the slit nozzle and the cylinder surface is 3.6 mm. The power input of generator 3 was 27 mW. The mean Nusselt number at natural convection was evaluated Nu = 1.7 to 3.2 in the investigated range of thermal power P = 0.2 W to 5.1 W. In the same range of thermal power, a mean Nusselt number was obtained by forced convection 10, 3 to 13.5. FIG. 3 thus demonstrates a significant increase in mean Nusselt number by forced convection using the synthesized stream. In particular, forced convection using the synthesized stream 1 resulted in 4.2 to 6.2 times higher mean Nusselt numbers compared to natural convection.
Fig. 4 is a second embodiment of a device according to the invention with a pair of synthesized stream generators 3, 12 each having a slot nozzle 6, L5. The image is made in a section perpendicular to the body axis 2. A body 2 and a pair of synthesized streams 3, 12, 2, and 2 are attached to the frame 1. The cavities 4 and 13 of the two generators 3 and 12 are connected to the surrounding environment by slit nozzles. 6 and 15. The cooling fluid from the environment 31e generates the generators 3 and 12 to form the synthesized streams 1 and 14 that point to the body 2. The inner part of the synthesized stream 7 impinges on the stagnation line 2 on the surface of the body 2 and the interior of the stream 14 being synthesized. impinges on the stagnation line Ij6 on the surface of the body 2. Since the diagram in FIG. 4 is drawn in a section perpendicular to the axis of the chilled body 2, the two stagnation lines 16 are shown as points on a circle showing the surface of the body. the body 2 in the form of the upper part 9 of the current and the lower part 10 of the current. Similarly, the outer portions of the synthesized stream 14 flow around the surface of the body 2 in the form of the upper part 17 of the stream and the lower part 18 of the stream. The cooling fluid flows away from the body 2 in the form of an upstream stream 19 and a downstream stream 20. The temperature of the cooling fluid in the streams 7 and 14 being synthesized is lower than the temperature of the body 2, so that the body 2 is cooled by forced convection. The heat transfer mechanism in the stagnation lines 2 and 16 corresponds to the case of the impact current.
Fig. 5 shows a third embodiment of a device according to the invention with one hybrid synthesizer 21, 21 and one slot nozzle 6. The image is shown perpendicular to the body axis 2. Body 2 and hybrid synthesizer 21 are attached to frame 1 stream 22_. The cavity 23 is connected to the environment 5 by a slit nozzle 6 and a fluid diode 24. The time-average flow through the fluid diode 24 is directed from the environment 5 to the cavity 23. For this reason, the flow of suction fluid 25i from the environment 5 is directed into the cavity 23 and the hybrid synthesized stream 22 has a positive time-average flow. The ambient fluid 5 and the liquid sucked into the cavity 23 as the suction fluid stream 25 are formed by the generator 21 into a hybrid synthesized stream 22 that extends from the slit nozzle 6 to the body 2. The inner portion of the hybrid synthesized stream 22 strikes the stagnation line 8 at As the scheme of FIG. 5 is drawn in a section perpendicular to the body axis 2, the stagnation line 8 is shown as a point on a circle showing the body surface 2. The outer parts of the hybrid synthesized stream 22 ' current and lower current portion 21. The upstream portion 26 and the downstream portion 21 flow around the body 2, and then form a wake 11 through which the cooling fluid flows from the body 2 approximately in the opposite direction to that of the hybrid synthesized stream 22. The cooling fluid temperature in the hybrid synthesized stream 22 is lower than the temperature of the body 2, therefore, the body 2 is cooled by forced convection. The heat transfer mechanism in the stagnation line 3 corresponds to the case of the impact current. The above-described first and second exemplary embodiments of the device according to the invention utilize synthesized streams for cooling. For these synthesized streams, the time-average fluid flow rate through the nozzle 6 of the generator 3, 12 in the steady-state mode is zero, and only at a distance from the nozzle 6 has the fluid flow a non-zero time-mean component of the mass flow obtained by suctioning the surrounding fluid. The use of synthesized streams offers a number of advantages. The main advantage is the relative simplicity of the whole device according to the invention, since the fluid streams are generated without the need to use any other device, such as a fan, blower, compressor or pump, to move the fluid into motion. It is also not necessary to use supply lines and wiring. This brings savings on built-in space, weight and price. In addition, there are no potential sources of equipment failure, which are the mentioned rotating machines. A third embodiment of the device according to the invention, which has been described above, uses a hybrid synthesized stream which, unlike the synthesized stream, obtains a non-zero time-average component of the mass flow just as it flows through the nozzle 6 from the generator 21. The reason for this is a suitable method of sucking fluid into the generator 21 via the fluidized bed. diodes 24_. Hybrid
Cj | the synthesized streams achieve higher * parameters compared to conventional synthesized streams, namely higher volumetric efficiency and higher energy efficiency. In doing so, the use of hybrid synthesized streams retains all the advantages of using conventional synthesized streams, and in addition allows for higher current parameters such as flow velocity, flow momentum flow, and current energy flow.
The coolant may be, for example, air or water or carbon dioxide (R-744). The cooling fluid may be organic compounds of relatively high molecular weight over water.
For example, the refrigerated body may be an electronic component in which heat is generated by electrical current. Preferably, the cooled body may be an optical fiber. It is also a benefit of the invention over the prior art to achieve a compact arrangement of the entire device, since no other device is required for moving the cooling fluid. Conventional devices use a suitable rotary machine such as a fan, blower, compressor or pump for this purpose. The device according to the invention introduces the fluid into the pulsating movement of the membrane in the generator 3, 12 itself. Another advantage is that the generator 3, 12 does not contain any other mechanically movable parts, such as check valves in conventional compressors or pumps, in addition to the oscillating membrane. An important advantage over the known solutions is the use of two forced convection mechanisms, which are heat transfer from body 2 to impact current in the stagnation line 8, 16a by its surroundings on the body surface 2 and heat transfer by the body surface 2 by the outer stream regions, which in turn contributes to significantly increase the mean heat transfer coefficient of the cooled body 2 to the coolant.
Industrial usability
The device according to the invention is particularly useful for cooling purposes in the electrical, engineering, chemical, biochemical and food industries.
List of reference numbers: 1 - frame 2 - body 3, 12 - generators 4, 13 - cavities of generators 5 - ambient environment 6, 15 - slit nozzle 7, 14 - streams synthesized 8, 16 - stagnation lines 9, 17 - upper part of current 10, 18 - lower part of current 11 - wake 19 - upper current 20 - lower current 21 - generator 22 - hybrid synthesized stream 23 - generator cavity 24 - fluid diode 25 - flow of suction fluid 26 - upper part of stream 27 - lower part of current
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2016-125A CZ306506B6 (en) | 2016-03-04 | 2016-03-04 | A method and a device for cooling bodies of cylindrical shape with a flow of cooling fluid |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2016-125A CZ306506B6 (en) | 2016-03-04 | 2016-03-04 | A method and a device for cooling bodies of cylindrical shape with a flow of cooling fluid |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2016125A3 true CZ2016125A3 (en) | 2017-02-15 |
| CZ306506B6 CZ306506B6 (en) | 2017-02-15 |
Family
ID=58449023
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2016-125A CZ306506B6 (en) | 2016-03-04 | 2016-03-04 | A method and a device for cooling bodies of cylindrical shape with a flow of cooling fluid |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ306506B6 (en) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6123145A (en) * | 1995-06-12 | 2000-09-26 | Georgia Tech Research Corporation | Synthetic jet actuators for cooling heated bodies and environments |
| CZ304219B6 (en) * | 2012-06-22 | 2014-01-08 | Ăšstav termomechaniky AV ÄŚR, v.v.i. | Method of entry of a liquid into a hybrid synthesized current generator and entry mechanism for making the same |
| CN106574638B (en) * | 2014-08-28 | 2020-06-05 | 通用电气航空系统有限责任公司 | Air cooling system and airflow generator |
-
2016
- 2016-03-04 CZ CZ2016-125A patent/CZ306506B6/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ306506B6 (en) | 2017-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| BRPI0809063B8 (en) | device for heating a flow of liquid by electrically heating a metallic conduit | |
| Lin | Enhanced heat transfer performance of cylindrical surface by piezoelectric fan under forced convection conditions | |
| Xu et al. | Flow structure evolution for laminar vortex rings impinging onto a fixed solid wall | |
| Birhane et al. | Flow characteristics of a two-stage EHD gas pump in a circular pipe | |
| CN109813519A (en) | Supersonic wind tunnel tracing medium adding mechanism, wind tunnel test device and adding method | |
| CZ2016125A3 (en) | A method and a device for cooling bodies of cylindrical shape with a flow of cooling fluid | |
| Dinh et al. | Vortex flow generator utilizing synthetic jets by diaphragm vibration | |
| Li et al. | The characteristics and divergence of fan-shaped and cylindrical holes on the suction side of a turbine blade under rotating conditions | |
| Pham et al. | Thermal-hydraulic-dynamic investigation of an inverted self-fluttering vortex generator | |
| Hsu et al. | Comparison of double-acting and single-acting synthetic jets | |
| Trávníček et al. | Performance of synthetic jet actuators based on hybrid and double-acting principles | |
| Gil | Morphology of synthetic jet | |
| Tesař et al. | Pulsating and synthetic impinging jets | |
| Zielinski et al. | Impingement Cooling Using a Variable-Diameter Synthetic Jet | |
| Naksanee et al. | An experimental investigation on the efficiency of snail entry in vortex tube fed low inlet air pressure to reduce temperature of low pressure air. | |
| CN105675249B (en) | A kind of sliding extension device for motion platform thermal protection stable water supply | |
| Mahmoudi et al. | Electrohydrodynamic single-phase convection heat transfer enhancement techniques: Direct ionic wind and vortex induction | |
| Liu et al. | Experimental study on enhanced heat transfer characteristis of synergistic coupling between the pulsating heat pipes | |
| Travnicek et al. | Hybrid synthetic jet intended for enhanced jet impingement heat/mass transfer | |
| El-Salamony et al. | Optimization Study of Unsteady Flow Affecting on Cooling a Heated Cylinder | |
| RU2007142976A (en) | METHOD AND SYSTEM FOR INSPECTING TURBINE WORKING BLADES AND TURBINE HOUSING | |
| Sun et al. | Micro-bubble generated by laser irradiation on an individual carbon nanocoil | |
| Hsu et al. | The performance of hexagonally arranged hybrid synthetic jets | |
| Travnicek et al. | Heat/Mass Transfer of Pulsatile Impinging Jets | |
| Vlahostergios et al. | Efforts to improve aero engine performance through the optimal design of heat recuperation systems targeting fuel consumption and pollutant emissions reduction |