RU2200926C2 - Heat-exchange surface - Google Patents

Heat-exchange surface Download PDF

Info

Publication number
RU2200926C2
RU2200926C2 RU2001103946A RU2001103946A RU2200926C2 RU 2200926 C2 RU2200926 C2 RU 2200926C2 RU 2001103946 A RU2001103946 A RU 2001103946A RU 2001103946 A RU2001103946 A RU 2001103946A RU 2200926 C2 RU2200926 C2 RU 2200926C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
holes
heat
hemispherical
toroidal
spherical
Prior art date
Application number
RU2001103946A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2001103946A (en
Inventor
Р.С. Агачев
А.В. Щукин
В.Н. Груздев
А.В. Ильинков
Original Assignee
Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева filed Critical Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева
Priority to RU2001103946A priority Critical patent/RU2200926C2/en
Publication of RU2001103946A publication Critical patent/RU2001103946A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2200926C2 publication Critical patent/RU2200926C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

FIELD: heat-power engineering; thermal power plants; various industrial plants. SUBSTANCE: heat- exchange surface includes wall having spherical dimples located in parallel rows forming concavities on one side and convexities on other side. On side of concavities, air flows around wall and on side of convexities, wall is washed with heat-transfer agent, water for example. Some spherical dimples are provided with fuel injectors located in rear part of dimples in way of motion of main flow and are communicated with fuel supply manifold. Spherical dimples which are not provided with fuel injectors are provided with toroidal projections smoothly engageable with flat portion of surface and with surface of dimple. Dimples which are provided with fuel injectors are also provided with permeable hemispherical shields at spaced relation to walls of dimples; they are rigidly secured on edges of spherical dimples. EFFECT: enhanced efficiency, stability and completeness of combustion; enhanced reliability; increased service life. 7 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к теплоэнергетическим установкам, используемым для отопления помещений, зданий, сооружений, а также в различных промышленных установках. The invention relates to the field of power engineering, and in particular to heat power plants used for heating rooms, buildings, structures, as well as in various industrial plants.

Известен теплообменник с пламенным нагревом (патент Германии 4239689, F 28 D 1/04, опубл. 01.06.94), который содержит горелку, направляющее устройство для горячих газов, сборную камеру для отходящих газов. Между направляющим устройством и сборной камерой имеется полость, которая служит в качестве пламенного пространства печи, и имеется трубка теплообменника, установленная соосно с проходными отверстиями на направляющем устройстве или сборной камере для отходящих газов. Known heat exchanger with flame heating (German patent 4239689, F 28 D 1/04, publ. 01.06.94), which contains a burner, a guide device for hot gases, a collection chamber for exhaust gases. There is a cavity between the guide device and the collection chamber, which serves as the flame space of the furnace, and there is a heat exchanger tube mounted coaxially with the through holes on the guide device or the collection chamber for the exhaust gases.

Известна теплообменная поверхность и способ управления процессами тепломассообмена, реализованный в данном устройстве (международная заявка WO 93/20355, F 28 D 1/12, F 28 F 1/10, опубл. 14.10.93). Изобретение решает задачу управления процессами тепломассообмена путем инициирования образования крупномасштабных вихревых структур и направления их развития. Устройство, реализующее способ, - это поверхность обтекания или тепломассообменная поверхность, являющаяся границей раздела между текущей сплошной средой газа и твердой стенкой, плоской, цилиндрической, конической или любого другого профиля, позволяющей управлять процессами в пограничном или пристенном слоях течения за счет выполнения на ней трехмерного вогнутого или выпуклого рельефа. Трехмерный рельеф выполнен в виде вогнутостей или выпуклостей с участками закругления и перехода, расположенных в шахматном или коридорном порядке. Вогнутости на поверхности теплообмена являются вихревыми интенсификаторами теплообмена. Эпицентры образования вихрей находятся внутри вогнутостей, в передней по потоку части. Внутри каждой вогнутости в задней части по направлению основного (внешнего) потока образуется зона подсоса воздуха из потока. Known heat transfer surface and a method of controlling heat and mass transfer processes implemented in this device (international application WO 93/20355, F 28 D 1/12, F 28 F 1/10, publ. 14.10.93). The invention solves the problem of controlling heat and mass transfer processes by initiating the formation of large-scale vortex structures and the direction of their development. A device that implements the method is a flow surface or heat and mass transfer surface, which is the interface between the current continuous gas medium and a solid wall, flat, cylindrical, conical, or any other profile that allows you to control processes in the boundary or wall layers of the flow by performing three-dimensional on it concave or convex relief. The three-dimensional relief is made in the form of concavities or bulges with sections of rounding and transition located in a checkerboard or corridor order. Concavities on the heat exchange surface are vortex heat transfer intensifiers. Epicenters of vortex formation are located inside concavities, in the upstream part. Inside each concavity in the rear part in the direction of the main (external) stream, a zone of air inflow from the stream is formed.

Известна теплообменная поверхность (а.с. 1768917, МПК F 28 F 1/10, 3/02. опубл. 15.10.92. Бюл. 38), содержащая расположенные на поверхности параллельные ряды полусферических лунок. Лунки располагаются в коридорном или шахматном порядке. Known heat exchange surface (AS 1768917, IPC F 28 F 1/10, 3/02. Publ. 10/15/92. Bull. 38), containing parallel rows of hemispherical holes located on the surface. Wells are arranged in a corridor or staggered manner.

Известна теплообменная поверхность (авт. св. 1744412А2, F 28 F 1/10, 3/02. опубл. 30.06.92. Бюл.24), содержащая расположенные на поверхности параллельные ряды сферических лунок, каждая из которых выполнена с примыкающим к ней коническим углублением. В центральной части каждой лунки выполнен выступ. Known heat transfer surface (ed. St. 1744412A2, F 28 F 1/10, 3/02. Publ. 30.06.92. Bull.24), containing on the surface parallel rows of spherical holes, each of which is made with adjacent conical deepening. A protrusion is made in the central part of each well.

Известен способ организации горения и стабилизации пламени на теплообменной поверхности, теплообменная поверхность для осуществления способа и секция теплообменника (патент на изобретение 2137037, F 28 F 1/10, F 28 D 1/12, опубл 1999 г.). Теплообменная поверхность для реализации данного способа является прототипом к заявляемому устройству. Теплообменная поверхность содержит расположенные параллельными рядами полусферические лунки, один ряд полусферических лунок или нескольких рядов снабжены топливными форсунками, расположенными в задней части лунок по направлению основного потока, причем после каждого ряда полусферических лунок с топливными форсунками расположены ряды лунок без них. Кромка полусферических углублений выполнена таким образом, чтобы протяженность выпуклого участка скругления кромки была значительно меньше глубины выемки и была близка к острой кромке. При наличии острой кромки, во всем диапазоне режимов течения в каналах теплообменных устройств, в полусферических углублениях на кромках формируется отрыв с последующим циркуляционным течением внутри углублений. A known method of organizing combustion and stabilization of a flame on a heat exchange surface, a heat exchange surface for implementing the method and a heat exchanger section (patent for invention 2137037, F 28 F 1/10, F 28 D 1/12, publ. 1999). The heat exchange surface for implementing this method is a prototype of the claimed device. The heat exchange surface contains hemispherical wells located in parallel rows, one row of hemispherical holes or several rows are equipped with fuel nozzles located in the rear of the holes in the main flow direction, and after each row of hemispherical holes with fuel nozzles there are rows of holes without them. The hemispherical recess edge is designed so that the length of the convex portion of the rounding of the edge was much less than the depth of the recess and was close to the sharp edge. In the presence of a sharp edge, in the entire range of flow regimes in the channels of heat exchangers, in the hemispherical recesses at the edges, a separation is formed with the subsequent circulation flow inside the recesses.

Известные теплообменные поверхности достаточно эффективно осуществляют свою функцию теплообмена, но значительный отвод тепла из зоны горения в стенку полусферических углублений из-за охлаждения хладагентом (например, водой), протекающим с другой стороны стенки, значительно ухудшает условия для стабильности горения. Стабилизация пламени путем рециркуляции заключается в передаче тепла из зоны горения для воспламенения свежей смеси. В известной теплообменной поверхности большое количество тепла передается в металлическую охлаждаемую стенку (т.е. стенка остается "холодной"), при этом нет условий для образования зоны "проскока пламени" в области рециркуляции, что значительно снижает стабильность и надежность работы известных теплообменных устройств. Кроме того, стенки большинства теплообменных устройств рекуперативного типа с интенсификаторами охлаждения на поверхности теплообмена выполняют обработкой металла давлением методом глубокой вытяжки из тонколистовых металлических заготовок. Полусферические углубления, изготовленные из плоской листовой заготовки методом глубокой вытяжки, часто имеют дефекты, так как такое формообразование представляет собой результат пластической деформации, сопровождаемой смещением значительной части обрабатываемого металла по высоте изделия. При большой степени деформации и малой толщине исходного материала в области кромок возникает неблагоприятное напряженно-деформированное состояние, что приводит к образованию гофр, трещин, разрывов металла. Known heat exchange surfaces quite effectively carry out their heat transfer function, but a significant heat removal from the combustion zone to the wall of hemispherical recesses due to cooling by a refrigerant (e.g., water) flowing from the other side of the wall significantly worsens the conditions for combustion stability. Stabilization of the flame by recirculation involves the transfer of heat from the combustion zone to ignite the fresh mixture. In a known heat exchange surface, a large amount of heat is transferred to a metal-cooled wall (i.e., the wall remains “cold”), while there are no conditions for the formation of a “flame-through zone” in the recirculation region, which significantly reduces the stability and reliability of the known heat-exchange devices. In addition, the walls of most heat exchangers of a regenerative type with cooling intensifiers on the heat exchange surface are performed by metal forming by deep drawing from thin-sheet metal billets. Hemispherical recesses made from a flat sheet blank by the deep drawing method often have defects, since such shaping is the result of plastic deformation, accompanied by a displacement of a significant part of the processed metal along the height of the product. With a large degree of deformation and a small thickness of the starting material, an unfavorable stress-strain state occurs in the region of the edges, which leads to the formation of corrugations, cracks, and ruptures of the metal.

По требованиям большого ресурса стенки теплообменных аппаратов в выемках сферической формы, изготавливаемых из листового материала, должны иметь минимальную величину утонения. Но при глубокой вытяжке без утонения стенки процесс осуществляется посредством непрерывного перемещения пуансона с заготовкой в матрицу, в результате чего внешний размер заготовки непрерывно уменьшается. Кромка матрицы, на которой формируется кромка полусферы, ограничивает перемещение металла листовой заготовки внутрь матрицы из окрестности полусферического углубления. Степень деформации по высоте образующей части полусферы непрерывно возрастает и максимальна на ее вершине. При этом неравномерность деформации обусловливает неравномерность наклепа по высоте детали, что и приводит к деформации полусферических выемок при изготовлении теплообменной поверхности. According to the requirements of a large resource, the walls of heat exchangers in spherical notches made of sheet material should have a minimum amount of thinning. But with deep drawing without thinning the wall, the process is carried out by continuously moving the punch with the workpiece into the die, as a result of which the external size of the workpiece is continuously reduced. The edge of the matrix, on which the hemisphere edge is formed, restricts the movement of the metal of the sheet blank into the matrix from the vicinity of the hemispherical recess. The degree of deformation along the height of the forming part of the hemisphere continuously increases and is maximum at its top. In this case, the non-uniformity of the deformation causes the non-uniformity of hardening along the height of the part, which leads to the deformation of hemispherical recesses in the manufacture of the heat-exchange surface.

Технический результат, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности, стабильности и полноты сгорания, а также в повышении теплоотдачи, надежности и ресурса теплообменной поверхности, повышения технологичности изготовления, что приведет к созданию высокоэффективного, компактного теплообменного устройства. The technical result, the solution of which the present invention is directed, is to increase the efficiency, stability and completeness of combustion, as well as to increase heat transfer, reliability and resource of the heat exchange surface, to increase the manufacturability of manufacturing, which will lead to the creation of a highly efficient, compact heat exchange device.

Технический результат достигается тем, что теплообменная поверхность содержит ряды полусферических лунок, при этом лунки одного или нескольких рядов снабжены топливными форсунками и расположены в задней части лунок по потоку. Новым является то, что полусферические лунки снабжены выступами тороидальной формы, плавно сопрягающимися с плоской частью поверхности и с поверхностью лунки, а лунки с топливными форсунками снабжены проницаемыми экранами полусферической формы, расположенными с зазором относительно стенок лунок, в котором расположены сопла форсунок. Относительная высота тороидального выступа равна

Figure 00000002

где hвыступ - высота тороидального выступа;
dсф - диаметр сферического сегмента лунки, окаймленного тороидальным выступом.The technical result is achieved by the fact that the heat exchange surface contains rows of hemispherical holes, while the holes of one or more rows are equipped with fuel nozzles and are located in the rear part of the holes downstream. What is new is that hemispherical wells are provided with toroidal protrusions that smoothly mate with the flat part of the surface and with the surface of the hole, while holes with fuel nozzles are equipped with permeable hemispherical screens located with a gap relative to the walls of the holes in which the nozzle nozzles are located. The relative height of the toroidal protrusion is
Figure 00000002

where h protrusion is the height of the toroidal protrusion;
d sf is the diameter of the spherical segment of the well bordered by a toroidal protrusion.

Cферические лунки с тороидальными выступами размещены в шахматном порядке с плотностью

Figure 00000003
,
где fш - эффективная плотность размещения в шахматном порядке лунок сферической формы с тороидальными выступами на теплообменной поверхности;
dл - диаметр лунок;
t1 - поперечный шаг размещения лунок;
t2 - продольный шаг размещения лунок.Spherical holes with toroidal protrusions are staggered with a density
Figure 00000003
,
where f W is the effective staggered density of spherical-shaped holes with toroidal protrusions on a heat-exchange surface;
d l - the diameter of the holes;
t 1 is the transverse step of the placement of holes;
t 2 is the longitudinal step of placing the wells.

На фиг. 1 представлена теплообменная поверхность с первым рядом лунок, снабженных топливными форсунками и следующими рядами лунок полусферической формы, окаймленных тороидальными выступами. In FIG. 1 shows a heat exchange surface with a first row of holes equipped with fuel nozzles and the following rows of hemispherical holes bordered by toroidal protrusions.

На фиг. 2 представлен участок секции теплообменника с оппозитно расположенными полусферическими лунками, с подводом топлива, в которые установлены с зазором проницаемые чашки полусферической формы. In FIG. 2 shows a section of a heat exchanger section with oppositely located hemispherical holes, with fuel supply, into which permeable hemispherical cups are mounted with a gap.

На фиг.3 представлены фотографии: а) пример выполнения проницаемого экрана полусферической формы, изготовленной из жаростойкой нержавеющей сетки, подготовленной для закрепления сваркой на кромках лунки; б) экспериментальный "огневой" участок секции теплообменника с полусферическими лунками с топливными форсунками, в которых сваркой закреплены проницаемые экраны полусферической формы, подготовленный для "огневых" испытаний. Figure 3 presents photographs: a) an example of the execution of a permeable screen hemispherical shape made of heat-resistant stainless mesh, prepared for fixing by welding on the edges of the hole; b) experimental “fire” section of the heat exchanger section with hemispherical holes with fuel nozzles, in which permeable hemispherical screens are prepared by welding, prepared for “fire” tests.

На фиг.4 представлены геометрические формы лунок: а) полусферическая лунка первого ряда, в которых организовано горение; б) лунки без топливных форсунок с тороидальными выступами, т.е. углубления двоякой кривизны. Figure 4 shows the geometric shapes of the holes: a) a hemispherical hole in the first row in which combustion is organized; b) wells without fuel nozzles with toroidal protrusions, i.e. deepenings of double curvature.

На фиг.5 представлена геометрическая схема размещения лунок на теплообменной поверхности секции теплообменника. Figure 5 shows the geometric layout of the wells on the heat exchange surface of the heat exchanger section.

На фиг.6 представлены результаты экспериментальной оценки влияния высоты тороидального выступа на теплоотдачу в полусферических лунках. Figure 6 presents the results of an experimental assessment of the influence of the height of the toroidal protrusion on the heat transfer in hemispherical holes.

На фиг. 7 представлены результаты расчетной оценки влияния высоты тороидального выступа на теплоотдачу на теплообменной поверхности в зависимости от плотности их размещения. In FIG. 7 presents the results of a calculated assessment of the effect of the height of the toroidal protrusion on the heat transfer on the heat exchange surface depending on the density of their placement.

Теплообменная поверхность (фиг.1) представляет собой стенку 1, в которой выполнены расположенные параллельными рядами полусферические лунки 2, образующие с одной стороны стенки вогнутости, а с другой выпуклости. Со стороны вогнутостей стенку 1 обтекает воздух, а со стороны выпуклостей - теплоноситель, например вода. Полусферические лунки 2, например, первого ряда (см. фиг.2) снабжены топливными форсунками 3, расположенными в задней части лунок 2 по направлению основного потока воздуха и сообщены с коллектором подвода топлива, например, природного газа. Устройство снабжено запальником 4, например свечой зажигания. Лунки 2 с топливными форсунками 3 снабжены проницаемыми экранами 5 полусферической формы, расположенными с зазором 8 относительно стенок лунок 2 и жестко закрепленными на кромках 6 полусферических лунок 2. В зазоре 8 расположены сопла форсунок 3. The heat exchange surface (Fig. 1) is a wall 1 in which hemispherical holes 2 are arranged in parallel rows, forming concavity walls on one side and convexity on the other. On the concavity side, wall 1 flows around the air, and on the convex side, a coolant, such as water. Hemispherical holes 2, for example, of the first row (see FIG. 2) are equipped with fuel nozzles 3 located at the rear of the holes 2 in the direction of the main air flow and in communication with the manifold for supplying fuel, for example, natural gas. The device is equipped with a pilot 4, for example a spark plug. The holes 2 with fuel nozzles 3 are provided with permeable screens 5 of a hemispherical shape located with a gap 8 relative to the walls of the holes 2 and rigidly fixed to the edges 6 of the hemispherical holes 2. In the gap 8 are nozzles of nozzles 3.

После каждого ряда полусферических лунок 2 с топливными форсунками 3 расположены (см. фиг.1) ряды полусферических лунок 6 без топливных форсунок. Полусферические лунки 6 снабжены выступами 7 тороидальной формы, плавно сопрягающимися с плоской частью поверхности и с поверхностью лунки 6. After each row of hemispherical holes 2 with fuel nozzles 3 are located (see figure 1) rows of hemispherical holes 6 without fuel nozzles. Hemispherical wells 6 are provided with toroidal protrusions 7 that smoothly mate with the flat part of the surface and with the surface of the hole 6.

Относительная высота тороидального выступа 7 (см. фиг.4,б) равна

Figure 00000004

где hвыст - высота тороидального выступа;
dсф - диаметр сферического сегмента лунки (полусферической лунки 6) окаймленного тороидальным выступом 7.The relative height of the toroidal protrusion 7 (see figure 4, b) is equal to
Figure 00000004

where h protr is the height of the toroidal protrusion;
d SF - the diameter of the spherical segment of the hole (hemispherical hole 6) bordered by a toroidal protrusion 7.

На теплообменной поверхности (фиг.5) полусферические лунки 6 с тороидальными выступами 7 размещены в шахматном порядке с плотностью

Figure 00000005
,
где fш - эффективная плотность размещения в шахматном порядке лунок полусферической формы 6 с тороидальными выступами 7 на теплообменной поверхности 9; dл - диаметр лунок; t1 - поперечный шаг размещения лунок 6; t2 - продольный шаг размещения лунок 6.On the heat exchange surface (Fig. 5), hemispherical dimples 6 with toroidal protrusions 7 are staggered with a density
Figure 00000005
,
where f W - the effective density of staggered holes in the hemispherical shape 6 with toroidal protrusions 7 on the heat exchange surface 9; d l - the diameter of the holes; t 1 is the transverse step of the placement of the holes 6; t 2 is the longitudinal step of placing the holes 6.

Секция теплообменника содержит две или несколько обращенных друг к другу теплообменных поверхностей с расположенными оппозитно, параллельными рядами, в шахматном порядке лунками 6. The heat exchanger section contains two or more heat exchange surfaces facing each other with opposite, parallel rows, staggered holes 6.

Работает теплообменная поверхность следующим образом. Из теплообменных поверхностей собирают секцию теплообменника (фиг.1). Поток воздуха входит в канал, между двумя теплообменными поверхностями, с оппозитно расположенными углублениями, со стороны полусферических лунок 2 с подводом топлива. С противоположной стороны, т. е. со стороны выпуклостей, проходит поток теплоносителя, например вода. В топливные форсунки 3 подается природный газ, который проходит через проницаемые экраны 5 и поджигается запальником 4. При обтекании воздухом поверхности в лунках 2 происходит образование рециркуляционной зоны и самоорганизация крупномасштабных вихревых структур. Вихревые структуры поочередно выбрасываются во внешний набегающий поток. Посредством этих вихрей происходит интенсивный вынос тепла и массы из лунок 2. Исследования показали, что в оппозитно расположенных полусферических лунках 2 с проницаемыми экранами 5 устанавливается гарантированная стабилизация пламени, поскольку горячая поверхность проницаемых экранов 5 обеспечивает условия для образования вдоль своей поверхности зоны "проскока пламени" в область аэродинамической рециркуляции. Таким образом, проницаемые экраны 5 ограничивают передачу части теплового потока в стенку теплообменника и одновременно позволяют поддерживать горение за счет собственного теплового состояния. The heat exchange surface operates as follows. A section of a heat exchanger is assembled from the heat exchange surfaces (FIG. 1). The air stream enters the channel, between two heat exchange surfaces, with opposed recesses, from the hemispherical holes 2 with the fuel supply. On the opposite side, i.e., on the side of the bulges, a heat carrier flow, such as water, flows. Natural gas is supplied to the fuel nozzles 3, which passes through the permeable screens 5 and is ignited by the igniter 4. When air flows around the surface in the holes 2, a recirculation zone is formed and large-scale vortex structures self-organize. Vortex structures are alternately ejected into the external incident flow. Through these vortices, intense heat and mass removal from the wells 2 takes place. Studies have shown that in opposed hemispherical holes 2 with permeable shields 5, guaranteed stabilization of the flame is established, since the hot surface of the permeable shields 5 provides conditions for the formation of a “flame-through” zone along its surface to aerodynamic recirculation. Thus, permeable screens 5 limit the transfer of part of the heat flux to the wall of the heat exchanger and at the same time allow the combustion to be maintained due to its own thermal state.

Топливо (например, природный газ), подаваемое через отверстия топливных форсунок 3 (фиг.2), расположенных в задней части лунок 2 по направлению основного потока, проходит в зазоре 8 между дном полусферической лунки 2 и выпуклой поверхностью проницаемого полусферического экрана 5. Затем газ выходит через проницаемую стенку полусферического экрана 5 в область пониженного давления (область отрыва), расположенную в передней части полусферической лунки 2. Эпицентры самоорганизующихся крупномасштабных вихревых структур располагаются в передней по потоку части полусферических лунок 2, и в их сторону идет интенсивный подсос топлива со всей донной поверхности полусферических лунок 2. Благодаря этому идет постоянная подпитка топливом зоны рециркуляционного горения и обеспечивается стабильность горения и полнота сгорания в лунке 2. Проницаемые полусферические экраны имеют высокую температуру. Нагреваясь при проходе в зазоре 8 под проницаемым экраном 5, газ отбирает часть тепла от сетки экрана 5, тем самым защищая ее от прогара. При этом в каждой зоне горения поддерживают коэффициент избытка воздуха α=1,3-1,5. Fuel (for example, natural gas) supplied through the openings of the fuel nozzles 3 (FIG. 2) located in the rear of the holes 2 in the direction of the main flow passes in the gap 8 between the bottom of the hemispherical hole 2 and the convex surface of the permeable hemispherical screen 5. Then the gas exits through the permeable wall of the hemispherical screen 5 to the low-pressure region (separation region) located in the front of the hemispherical hole 2. The epicenters of self-organizing large-scale vortex structures are located in the front downstream portion of the hemispherical hole 2, and their direction is an intensive leak fuel from the entire bottom surface of the hemispherical hole 2. This is a constant replenishment of fuel combustion and recirculation zone is provided combustion stability and combustion efficiency in the hole 2. Permeable hemispherical screens have a high temperature. Heated during the passage in the gap 8 under the permeable screen 5, the gas takes part of the heat from the screen mesh 5, thereby protecting it from burnout. Moreover, in each combustion zone support the coefficient of excess air α = 1.3-1.5.

Продукты сгорания, выносимые из полусферической лунки 2 во внешний набегающий поток, проходят вдоль теплообменной поверхности (см. фиг.1) с рядами полусферических лунок 6 с тороидальными выступами 7, образующими двояковогнутые выемки. Выступ тороидальной формы 7, расположенный по краю углубления сферической формы 6 с плавными сопряжениями между плоской частью поверхности и сферической поверхностью, обеспечивает при натекании потока отрыв потока с последующим рециркуляционным течением внутри углублений. Пристенный поток продуктов сгорания, натекая на тороидальный выступ 7, доходит до его вершины и отрывается, формируя отрывную область, которая расширяется в сферическую часть лунки, образуя обширную рециркуляционную область. Обтекание тороидальных выступов 7 сопровождается высокой турбулизацией потока, благодаря чему в присоединяющемся потоке за выступом 7 образуются крупные вихри, обеспечивающие основной вклад в конвективный теплообмен возле теплообменной поверхности. The combustion products carried out from the hemispherical dimples 2 into the external incoming flow pass along the heat exchange surface (see Fig. 1) with rows of hemispherical dimples 6 with toroidal protrusions 7 forming biconcave recesses. The protrusion of the toroidal shape 7, located along the edge of the recess of the spherical shape 6 with smooth mates between the flat part of the surface and the spherical surface, provides a flow separation during subsequent flow, followed by a recirculation flow inside the recesses. A near-wall flow of combustion products, flowing onto a toroidal protrusion 7, reaches its apex and breaks away, forming a tear-off region, which expands into the spherical part of the hole, forming an extensive recirculation region. The flow around the toroidal projections 7 is accompanied by high turbulence of the flow, due to which large eddies are formed in the connecting stream behind the protrusion 7, which provide the main contribution to convective heat transfer near the heat exchange surface.

Относительная высота тороидальных выступов 7, равная

Figure 00000006
, и шахматное расположение полусферических лунок 6 с тороидальными выступами 7 (двояковогнутых выемок) с плотностью f=0,25 обеспечивают эффективную интенсификацию процесса теплопередачи на теплообменной поверхности.The relative height of the toroidal projections 7, equal
Figure 00000006
, and the staggered arrangement of hemispherical holes 6 with toroidal protrusions 7 (biconcave recesses) with a density of f = 0.25 provide effective intensification of the heat transfer process on the heat exchange surface.

Специальными сравнительными экспериментальными исследованиями установлены наиболее целесообразные геометрические соотношения для лунок двоякой кривизны, фиг.4,б. Результаты измерений средних значений коэффициентов теплоотдачи в сферическом сегменте лунки 6 с тороидальным выступом 7 сравнивались с измерениями средних значений коэффициентов теплоотдачи в сферическом сегменте лунки 2 без выступов, фиг.4,а. Special comparative experimental studies established the most appropriate geometric relationships for holes of double curvature, figure 4, b. The results of measuring the average values of the heat transfer coefficients in the spherical segment of the hole 6 with the toroidal protrusion 7 were compared with the measurements of the average values of the heat transfer coefficients in the spherical segment of the hole 2 without protrusions, Fig. 4, a.

Относительная высота выступа 7, при которой получен в лунке 6 максимальный прирост теплоотдачи, равен

Figure 00000007

где hвыст - высота тороидального выступа 7;
dсф - диаметр сферического сегмента лунки, окаймленного выступом (полусферической лунки 6 с тороидальным выступом 7).The relative height of the protrusion 7, at which the maximum increase in heat transfer is obtained in hole 6, is equal to
Figure 00000007

where h protr is the height of the toroidal protrusion 7;
d SF - the diameter of the spherical segment of the hole bordered by a protrusion (hemispherical hole 6 with a toroidal protrusion 7).

Лишь при этом значении hвыст/dсф средняя теплоотдача (на фиг.6, кривая с квадратными значками - 2) в выемке выше базового варианта (полусферической лунки без выступов) даже и без учета увеличения теплообменной поверхности выступа. С учетом теплообменной поверхности тороидального выступа еще более увеличивается средняя теплоотдача в выемке с выступом (на фиг.6, кривая с круглыми значками - 1), так как с увеличением высоты выступа средние значения коэффициентов теплоотдачи на лунках 6 с выступами 7 в целом растут из-за увеличения площади теплообменной поверхности тороидального выступа 7.Only at this value of h prot / d cf the average heat transfer (in Fig. 6, the curve with square icons is 2) in the recess above the base case (a hemispherical hole without protrusions) even without taking into account the increase in the heat transfer surface of the protrusion. Taking into account the heat-exchange surface of the toroidal protrusion, the average heat transfer in the recess with the protrusion even more increases (in Fig. 6, the curve with round icons is 1), since with an increase in the height of the protrusion, the average values of the heat transfer coefficients in the holes 6 with protrusions 7 generally increase due to for increasing the area of the heat exchange surface of the toroidal protrusion 7.

Дальнейший анализ результатов опытов (см. фиг.7) показал, что средние значения коэффициентов теплоотдачи теплообменной поверхности с интенсификаторами в виде лунок 6 с тороидальными выступами 7 при всех исследованных значениях

Figure 00000008
выше, чем на гладкой теплообменной поверхности. Однако максимальный прирост теплоотдачи при шахматном размещении лунок 6 с выступами 7, превышающий прирост теплоотдачи на теплообменной поверхности с лунками без тороидальных выступов, имеет место только при плотности их размещения
Figure 00000009
,
где fш - эффективная плотность размещения в шахматном порядке лунок 6 полусферической формы с тороидальным выступом 7 на теплообменной поверхности 9; dл - диаметр лунок с выступом (см. фиг.4,б; фиг.5); t1 - поперечный шаг размещения лунок; t2 - продольный шаг размещения лунок.Further analysis of the experimental results (see Fig. 7) showed that the average values of the heat transfer coefficients of the heat exchange surface with intensifiers in the form of holes 6 with toroidal protrusions 7 for all the studied values
Figure 00000008
higher than on a smooth heat transfer surface. However, the maximum increase in heat transfer during staggered placement of holes 6 with protrusions 7, exceeding the increase in heat transfer on a heat exchange surface with holes without toroidal protrusions, takes place only at a density of their placement
Figure 00000009
,
where f W - the effective density of staggered holes 6 of the hemispherical shape with a toroidal protrusion 7 on the heat exchange surface 9; d l - the diameter of the holes with a protrusion (see figure 4, b; figure 5); t 1 is the transverse step of the placement of holes; t 2 is the longitudinal step of placing the wells.

Такие свойства, как стабильность пламени, полнота сгорания в лунках 2 (фиг. 5) с проницаемыми экранами 5 полусферической формы, с топливными форсунками 3 под ними и повышенный уровень теплообмена в углублениях полусферической формы окаймленных тороидальными выступами на теплообменной поверхности, позволяют создавать компактные высокоэффективные и надежные теплообменные устройства. Properties such as flame stability, completeness of combustion in the holes 2 (Fig. 5) with permeable screens 5 of a hemispherical shape, with fuel nozzles 3 below them and an increased level of heat transfer in hemispherical recesses bordered by toroidal protrusions on a heat exchange surface, allow the creation of compact highly efficient and reliable heat exchangers.

Запальная свеча 4 вставлена через стенку 1, лунку 2 и проницаемый экран 5 в область стабилизации горения. The spark plug 4 is inserted through the wall 1, the hole 2 and the permeable screen 5 in the area of stabilization of combustion.

Проницаемые полусферические экраны 5 могут быть изготовлены из перфорированной, нержавеющей тонколистовой стали или жаростойкой нержавеющей сетки (например, см. фиг.3,а) и прикреплены сваркой к кромкам полусферических лунок 2 (например, см. фиг.3,б). Permeable hemispherical screens 5 can be made of perforated stainless steel sheet or heat-resistant stainless steel mesh (for example, see Fig. 3, a) and welded to the edges of hemispherical holes 2 (for example, see Fig. 3, b).

Геометрия полусферических лунок 2(см. фиг.4,а) с подводом топлива, в которых установлены с зазором проницаемые экраны 5 и геометрия полусферических лунок 6 (см. фиг.4,б), к которым топливо не подводится, отличаются друг от друга. Лунки 6 без подвода топлива выполнены с тороидальными выступами (двоякой кривизны), причем выемки их представляют собой сферические сегменты, а выступы 7 на его краях выполнены тороидальной формы. Радиусы сопряжения r2 и радиусы тороидального выступа r3 имеют размеры, необходимые для образования плавных переходов от одной формы поверхности к другой (см. фиг. 4,б). Общая высота hсф выемки 6 и выступа 7 углубления двоякой кривизны без подвода топлива может быть как равной глубине hсф1 полусферических лунок с подводом топлива, так и меньше этой глубины (см. фиг.4), т.е. hсф≤hсф1.The geometry of the hemispherical holes 2 (see figure 4, a) with the fuel supply, in which permeable screens 5 are installed with a gap, and the geometry of the hemispherical holes 6 (see figure 4, b), to which the fuel is not supplied, differ from each other . The holes 6 without fuel supply are made with toroidal protrusions (double curvature), and their recesses are spherical segments, and the protrusions 7 at its edges are made of a toroidal shape. The radiuses of the pairing r 2 and the radii of the toroidal protrusion r 3 have the dimensions necessary for the formation of smooth transitions from one surface shape to another (see Fig. 4, b). The total height h cf of the recess 6 and the protrusion 7 of the deepening of double curvature without fuel supply can be both equal to the depth h cf1 of hemispherical holes with fuel supply, and less than this depth (see figure 4), i.e. h sf ≤h sf1 .

Размещение полусферических лунок 2 с подводом топлива относительно лунок 6 без подвода топлива (с выступами 7) может быть коридорным или шахматным (см. фиг.5), но для повышения эффективности теплообменной поверхности должно быть обеспечено шахматное размещение лунок 6 с выступами 7 с плотностью, равной f=0,25. The placement of hemispherical holes 2 with the fuel supply relative to the holes 6 without fuel supply (with protrusions 7) can be corridor or staggered (see Fig. 5), but in order to increase the efficiency of the heat exchange surface, the staggered placement of holes 6 with protrusions 7 with density equal to f = 0.25.

Секция теплообменника 1 (фиг. 5) со стабилизацией пламени на теплообменной поверхности может быть последовательно присоединена к другой такой же секции теплообменника со стабилизацией пламени, если требуется дальнейший нагрев теплоносителя. The heat exchanger section 1 (FIG. 5) with flame stabilization on the heat exchanger surface can be sequentially connected to another same flame stabilizer heat exchanger section if further heating of the heat carrier is required.

Таким образом, предлагаемая теплообменная поверхность обеспечивает эффективную, экономичную и надежную интенсификацию процесса теплопередачи в теплообменном устройстве, при этом повышается технологичность изготовления, что обеспечивает высокий ресурс работы и надежность при эксплуатации. Thus, the proposed heat-exchange surface provides efficient, economical and reliable intensification of the heat transfer process in the heat-exchange device, while manufacturability is increased, which ensures a high service life and reliability during operation.

Claims (3)

1. Теплообменная поверхность, содержащая ряды сферических лунок, при этом лунки одного или нескольких рядов снабжены топливными форсунками, отличающаяся тем, что сферические лунки снабжены выступами тороидальной формы, плавно сопрягающимися с плоской частью поверхности и с поверхностью лунки, а лунки с топливными форсунками снабжены проницаемыми экранами сферической формы, расположенными с зазором относительно стенок лунок, в котором расположены сопла форсунок. 1. A heat exchange surface containing rows of spherical holes, while the holes of one or more rows are equipped with fuel nozzles, characterized in that the spherical holes are provided with toroidal protrusions that smoothly mate with the flat part of the surface and with the surface of the hole, and the holes with fuel nozzles are equipped with permeable spherical screens located with a gap relative to the walls of the holes in which the nozzle nozzles are located. 2. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что относительная высота тороидального выступа равна
Figure 00000010

где hвыступ - высота тороидального выступа;
dсф - диаметр сферического сегмента лунки с тороидальным выступом.
2. The heat exchange surface according to claim 1, characterized in that the relative height of the toroidal protrusion is
Figure 00000010

where h protrusion is the height of the toroidal protrusion;
d SF - the diameter of the spherical segment of the hole with a toroidal protrusion.
3. Теплообменная поверхность по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что сферические лунки с тороидальными выступами размещены в шахматном порядке с плотностью
Figure 00000011

где fш - эффективная плотность размещения в шахматном порядке лунок сферической формы с тороидальными выступами на теплообменной поверхности;
dл - диаметр лунок;
t1 - поперечный шаг размещения лунок;
t2 - продольный шаг размещения лунок.
3. The heat exchange surface according to claim 1 or 2, characterized in that the spherical dimples with toroidal protrusions are staggered with a density
Figure 00000011

where f W is the effective staggered density of spherical-shaped holes with toroidal protrusions on a heat-exchange surface;
d l - the diameter of the holes;
t 1 is the transverse step of the placement of holes;
t 2 is the longitudinal step of placing the wells.
RU2001103946A 2001-02-12 2001-02-12 Heat-exchange surface RU2200926C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001103946A RU2200926C2 (en) 2001-02-12 2001-02-12 Heat-exchange surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001103946A RU2200926C2 (en) 2001-02-12 2001-02-12 Heat-exchange surface

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001103946A RU2001103946A (en) 2003-01-27
RU2200926C2 true RU2200926C2 (en) 2003-03-20

Family

ID=20245931

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001103946A RU2200926C2 (en) 2001-02-12 2001-02-12 Heat-exchange surface

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2200926C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610636C1 (en) * 2016-02-15 2017-02-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Heat exchanging surface
CN110296629A (en) * 2019-07-09 2019-10-01 西安交通大学 A kind of staggeredly half ball groove heat exchanger plates for printed circuit sheet heat exchanger
RU2777179C1 (en) * 2022-03-23 2022-08-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" Heat transfer surface for enhanced heat transfer

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2610636C1 (en) * 2016-02-15 2017-02-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Heat exchanging surface
CN110296629A (en) * 2019-07-09 2019-10-01 西安交通大学 A kind of staggeredly half ball groove heat exchanger plates for printed circuit sheet heat exchanger
CN110296629B (en) * 2019-07-09 2023-10-24 西安交通大学 Staggered hemispherical groove heat exchange plate for printed circuit board heat exchanger
RU2777179C1 (en) * 2022-03-23 2022-08-01 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" Heat transfer surface for enhanced heat transfer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5746159A (en) Combustion device in tube nested boiler and its method of combustion
CN104048413A (en) Condensing heat exchanger for gas-liquid heat exchange
KR100789037B1 (en) Improved heat exchanger for power generation equipment
CN110360558B (en) Cooling flame low-nitrogen combustion device and combustion method thereof
RU2200926C2 (en) Heat-exchange surface
CN100532934C (en) Multiple plate combustor
US11236903B2 (en) Compact inward-firing premix fuel combustion system, and fluid heating system and packaged burner system including the same
JP2002031307A (en) Fluid-heating apparatus provided with premixing burner
CA2306406A1 (en) Water-tube boiler
RU173450U1 (en) HEAT PIPE OF THE COMBUSTION CHAMBER OF A GAS-TURBINE ENGINE WITH DAMPING CAVES
CN210511667U (en) Cooling flame low-nitrogen combustion device
KR20190006245A (en) Burner with helical tube type recuperator
SU1765625A1 (en) Recuperative burner
JP4172411B2 (en) Structure of heat exchanger for hot water
RU2137037C1 (en) Method of conducting combustion and stabilizing flame on heat-exchange surface; heat-exchange surface for realization of this method and heat exchanger section
RU2808888C1 (en) Heat exchanger element
RU201848U1 (en) COMBUSTION CHAMBER OF A GAS TURBINE ENGINE WITH AN ACTIVE COOLING ZONE
RU2140434C1 (en) Tubular furnace for fire heating of oil products
RU2467260C2 (en) Field service heater
KR100361553B1 (en) Heat exchanger of gas boiler and method for welding a fin having heat exchanger
CN105757643A (en) Boiler provided with enhanced heat transferring parts
CN107202505A (en) A kind of Double-casing compound combustion UTILIZATION OF VESIDUAL HEAT IN heat-exchanger rig
RU53423U1 (en) HEAT EXCHANGE DEVICE
Sinha et al. NUMERICAL INVESTIAGTION OF FLAME JET IMPINGEMENT ON A FLAT PLATE
CN2162626Y (en) Multiple return-stroke ordinary pressure diesel hot-water stove

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070213