RU2511859C1 - Heat exchanger pipe - Google Patents
Heat exchanger pipe Download PDFInfo
- Publication number
- RU2511859C1 RU2511859C1 RU2013100303/06A RU2013100303A RU2511859C1 RU 2511859 C1 RU2511859 C1 RU 2511859C1 RU 2013100303/06 A RU2013100303/06 A RU 2013100303/06A RU 2013100303 A RU2013100303 A RU 2013100303A RU 2511859 C1 RU2511859 C1 RU 2511859C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- heat transfer
- heat exchanger
- length
- flow
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на транспорте, в химической технологии и других отраслях техники.The present invention relates to the field of energy and can be used in transport, in chemical technology and other industries.
Известна теплообменная труба [Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Абдрахманов А.Р. Расчет турбулентной теплоотдачи и сопротивления в каналах с поперечными кольцевыми канавками. // Изв. вузов. Авиационная техника. 1997. №3. С.56-68], канал которой выполнен с узкими кольцевыми канавками на внутренней поверхности трубы (канал «1»). В этом канале взаимодействие потока и стенки и существо механизма ИТО (интенсификации теплообмена) полностью определяется теплообменом и трением в пристенных внутренних пограничных слоях (ВПС) 1 и 2, турбулизацию которых обеспечивает рециркуляционная зона (РЗ). Совершенство механизма ИТО заключается в том, что в канале РЗ размещена в канавке, что позволяет сократить размеры РЗ. Опыты с кольцевыми канавками проведены только для наружной поверхности труб в межтрубном потоке теплообменного аппарата (ТА), в ограниченном диапазоне характеристических параметров -
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является теплообменная труба [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор). // Теплофизика высоких температур. 2007. №6. С.925-953], канал которой выполнен с выступами и канавками (канал «2»). В канале «2» в качестве интенсификатора теплообмена (ИТ) служат узкие выступы на внутренней поверхности трубы (l<t, где l - длина канавки, t - длина типового участка канала с выступом и канавкой). Идея схемы потока следующая. После каждого выступа образуется РЗ1, на поверхности которой и далее за точкой присоединения xk≈6h, где h - высота выступа, развивается турбулентный внутренний пограничный слой - ВПС1 (толщиной δ). Под РЗ1 формируется возвратный ВПС2 (Малая Р32 не учитывается). Участок канала с шагом t - типовой (повторяющийся). Теплогидродинамическое взаимодействие потока со стенкой полностью определяется процессами переноса внутри ВПС1 и 2. Основной вклад в интенсификацию теплообмена вносят факторы повышенной теплоотдачи в зоне присоединения и малого термического сопротивления тонкого обновленного турбулизированного ВПС1 за точкой присоединения. Главное назначение отрывной рециркуляционной области течения - РЗ1 - производство дополнительной турбулентности, воздействие которой на обновленный ВПС1 стимулирует процесс теплообмена около стенки (Отрыв потока, обновление ПС и образование РЗ1 - результат действия выступа).The closest analogue to the claimed invention is a heat transfer pipe [Leontyev A.I., Olympiev V.V. The effect of heat transfer intensifiers on the thermohydraulic properties of channels (review). // Thermophysics of high temperatures. 2007. No. 6. S.925-953], the channel of which is made with protrusions and grooves (channel "2"). In channel "2", narrow protrusions on the inner surface of the pipe (l <t, where l is the length of the groove, t is the length of a typical section of the channel with the protrusion and groove) serve as heat transfer intensifier (IT). The idea of the flow scheme is as follows. After each protrusion, РЗ1 is formed, on the surface of which and further beyond the attachment point x k ≈6h, where h is the height of the protrusion, a turbulent inner boundary layer - IPN1 (thickness δ) develops. Under RP1, a returnable IPN2 is formed (Small P32 is not taken into account). The channel section with step t is typical (repeating). The thermohydrodynamic interaction of the flow with the wall is completely determined by the transfer processes inside VPS1 and 2. The main contribution to the intensification of heat transfer is made by the factors of increased heat transfer in the connection zone and low thermal resistance of the thin renewed turbulized VPS1 behind the connection point. The main purpose of the tear-off recirculation region of the flow - РЗ1 - is the production of additional turbulence, the impact of which on the renewed IPN1 stimulates the heat exchange process near the wall (Flow separation, PS renewal and the formation of РЗ1 are the result of the protrusion).
Недостатком известных теплообменных труб является высокое гидросопротивление и низкая эффективность.A disadvantage of the known heat exchange tubes is high hydraulic resistance and low efficiency.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение энергетической эффективности за счет снижения гидросопротивления.The task to which the invention is directed is to increase energy efficiency by reducing hydraulic resistance.
Технический результат достигается тем, что в теплообменной трубе, согласно заявляемому изобретению, канал образован гладкими участками трубы и выступами, при этом выступы выполнены с дополнительным интенсификатором теплообмена в виде дискретных канавок, поперечных к потоку, причем канал выполнен с геометрическими соотношениямиThe technical result is achieved by the fact that in the heat exchange pipe, according to the claimed invention, the channel is formed by smooth sections of the pipe and protrusions, while the protrusions are made with an additional heat transfer intensifier in the form of discrete grooves transverse to the stream, and the channel is made with geometric ratios
l2=(90-100)h; l1=(90-100)h; l'/l1=0,05; h/D=0.03,l 2 = (90-100) h; l 1 = (90-100) h; l '/ l 1 = 0.05; h / D = 0.03,
где Where
l2 - длина канавки, мм,l 2 - the length of the groove, mm,
l1 - длина выступа, мм,l 1 - the length of the protrusion, mm
l'- длина участка выступа между неглубокими канавками, мм,l'- the length of the section of the protrusion between the shallow grooves, mm,
h - высота выступа, мм,h is the height of the protrusion, mm
D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм.D is the inner diameter of the heat exchanger pipe, mm
Сущность изобретения поясняется чертежами и таблицей, где на фиг.1 изображен канал предлагаемой теплообменной трубы (канал «3»), на фиг.2, 3, 4, табл.1 показаны результаты расчетов эффективности (интенсивность теплоотдачи, коэффициент гидравлического сопротивления, относительный энергетический коэффициент) каналов «7», «2» и «3».The invention is illustrated by drawings and a table, in which Fig. 1 shows the channel of the proposed heat exchange pipe (channel "3"), Figs. 2, 3, 4, Table 1 show the results of calculations of efficiency (heat transfer rate, coefficient of hydraulic resistance, relative energy coefficient) of channels "7", "2" and "3".
Таким образом, для достижения технического результата предложена заявляемая конструкция теплообменной трубы, канал которой (канал «3») является последовательностью широких канавок l2=(90-100)h и широких выступов l1=(90-100)h, на выступах которого в качестве дополнительных ИТ используются дискретные поперечные к потоку канавки 4 (одна или несколько). Модель течения (и механизм ИТО) в канале «3» основывается на тонких (обновленных) внутренних пограничных слоях - ВПС1, ВПС2 и ВПС3, которые турбулизируются (под воздействием внешней турбулентности) вихревыми возмущениями от рециркуляционной зоны РЗ1, образующейся за обратным уступом при входе потока в канавку (l2), и возмущениями, возникающими на прямом уступе при натекании потока на выступ (Р32) и канавкой 4. При h/D<0.05 происходит быстрая перестройка ВПС1 и ВПС3 к состоянию «стандартного» турбулентного ПС (ТПС) на гладкой стенке [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) // ТВТ. 2007. №6. С.925-953]. При соотношениях толщин соответствующих пограничных слоев и пристенное течение в канале можно рассматривать как течение на плоской стенке, и для расчета ВПС воспользоваться моделью пограничного слоя на пластине. Предлагаемая в данной работе модель расчета канала «3», построенная на основе представлений по ВПС, подобна тем, формирующимся при обтекании ИТ, что использовались в [Олимпиев В.В. Расчет теплообмена и гидросопротивления турбулентного потока в дискретно шероховатых каналах. //Изв. вузов. Авиационная техника. 1991. №4. С.69-72. Олимпиев В.В. Анализ результатов расчета по модели внутренних пограничных слоев теплоотдачи и сопротивления труб с поперечными кольцевыми выступами.// Изв. вузов. Авиационная техника. 1995. №3. С.103-106].Thus, to achieve a technical result, the claimed design of a heat exchange pipe is proposed, the channel of which (channel "3") is a sequence of wide grooves l 2 = (90-100) h and wide protrusions l 1 = (90-100) h, on the protrusions of which as additional IT, discrete transverse to the flow grooves 4 (one or several) are used. The flow model (and the ITT mechanism) in
Расчет канала «3» строится следующим образом. Местные коэффициенты теплоотдачи для ВПС1 на отрезке от хк до l2 вычисляются по соотношениюThe calculation of channel "3" is constructed as follows. The local heat transfer coefficients for IPN1 in the interval from x to l 2 are calculated by the ratio
где число Нуссельта Nux=αx/λ; х - текущая координата; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя (жидкости); Rex=wx/v; w - среднерасходная скорость жидкости в канале; ν - кинематический коэффициент вязкости жидкости; Tw, Tf - температуры стенки и потока.where the Nusselt number Nu x = α x / λ; x is the current coordinate; λ is the coefficient of thermal conductivity of the coolant (liquid); Re x = wx / v; w is the average flow rate of the fluid in the channel; ν is the kinematic coefficient of viscosity of the liquid; T w , T f - wall and flow temperatures.
Затем вводится поправка αхист,αx, учитывающая влияние внешней турбулентности Tu на теплоотдачу в ВПС1 [Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука. 1982]Then, the correction α hist , α x is introduced, taking into account the influence of external Tu turbulence on heat transfer in IPN1 [A. Zhukauskas Convective transfer in heat exchangers. M .: Science. 1982]
где αхист - истинное значение коэффициента местной теплоотдачи; Tu - локальное значение степени турбулентности; Tumax=10% (или 0.1) [Олимпиев В.В. Расчет теплообмена и гидросопротивления турбулентного потока в дискретно шероховатых каналах // Изв. вузов. Авиационная техника. 1991. №4. С.69-72. Олимпиев В.В. Анализ результатов расчета по модели внутренних пограничных слоев теплоотдачи и сопротивления труб с поперечными кольцевыми выступами // Изв. вузов. Авиационная техника. 1995. №3. С.103-106.], Tumax - максимальное значение Tu.where α hist is the true value of the coefficient of local heat transfer; Tu is the local value of the degree of turbulence; Tu max = 10% (or 0.1) [Olimpiev V.V. Calculation of heat transfer and hydraulic resistance of a turbulent flow in discrete rough channels // Izv. universities. Aircraft technology. 1991. No4. S.69-72. Olimpiev V.V. Analysis of the calculation results by the model of the internal boundary layers of heat transfer and resistance of pipes with transverse annular protrusions // Izv. universities. Aircraft technology. 1995. No3. S.103-106.], Tu max - the maximum value of Tu.
Местные коэффициент сопротивления и касательное напряжение τwx трения для ВПС1 рассчитываются по формуламLocal drag coefficient and shear stress τ wx of friction for IPN1 are calculated by the formulas
где ρ - плотность теплоносителя.where ρ is the density of the coolant.
Расчет для ВПС3 (на отрезках l') проводится аналогично ВПС1.The calculation for IPN3 (on segments l ') is carried out similarly to IPN1.
Локальные коэффициенты теплоотдачи для ВПС2 (на длине РЗ1 - L) вычисляются с помощью универсальной функции для обратного уступа αx2/αxk=f(x/xk) [Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. / Под общ. ред. B.C. Авдуевского и др. М.: Машиностроение. 1992.], где рассчитывается по формуле (1) при x=xk. Трение для ВПС2 рассчитывается аналогично.The local heat transfer coefficients for WWS2 (along the length of RE1 - L) are calculated using the universal function for the backward step α x2 / α xk = f (x / x k ) [Fundamentals of heat transfer in aeronautical and space-rocket technology. / Under the total. ed. BC Avduevsky et al. M.: Mechanical Engineering. 1992.], where it is calculated by the formula (1) with x = x k . Friction for UPU2 is calculated similarly.
Осреднение местных параметров ВПС1, ВПС2 и ВПС3 позволяет получить средние значения коэффициента теплоотдачи α и касательного напряжения трения τw на участке t (и во всем канале).Averaging the local parameters VPS1, VPS2, and VPS3 allows one to obtain the average values of the heat transfer coefficient α and the tangential friction stress τ w in the region t (and in the entire channel).
Суммарные потери давления на этом участке можно рассчитать по формулеThe total pressure loss in this section can be calculated by the formula
где Δpmp=Rmp/(πD2/4) - потери давления на трение, Rmp=πDtτw - сила трения; Δpp и Δpc - местные потери давления на внезапные расширение и сужение канала при обтекании канавки l2 (определяются по [Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение. 1992]). Коэффициент сопротивления ξ на участке t (и во всем канале) рассчитывается из формулы Дарсиwhere Δp mp = R mp / (πD 2/4) - pressure losses due to friction, R mp = πDtτ w - frictional force; Δp p and Δp c are local pressure losses due to sudden expansion and narrowing of the channel when flowing around the groove l 2 (determined by [Idelchik I.E. Handbook of hydraulic resistances. M .: Mechanical Engineering. 1992]). The resistance coefficient ξ in the region t (and in the entire channel) is calculated from the Darcy formula
Расчеты проводились для тех же условий, что и в [Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Попов И.А. Эффективность промышленно перспективных интенсификаторов теплоотдачи // Изв. РАН. Энергетика. 2002. №3. С.102-118]. Относительная высота выступа была принята из рекомендованного в [Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп, А.С. Мякочин. М.: Энергоатомиздат, 1998.] диапазона, а число Рейнольдса составляла 104-106. Были проведены многовариантные расчеты с различными сочетаниями геометрических параметров ИТ для каналов всех типов. При расчете канала «3» параметр l'/l1 изменялся в пределах 0-1.The calculations were carried out for the same conditions as in [Gortyshov Yu.F., Olimpiev VV, Popov I.A. Efficiency of industrially promising heat transfer intensifiers // Izv. RAS. Energy 2002. No3. S.102-118]. The relative height of the protrusion was adopted from that recommended in [Effective heat transfer surfaces / E.K. Kalinin, G.A. Dreitzer, I.Z. Kopp, A.S. Myakochin. M .: Energoatomizdat, 1998.] range, and the Reynolds number was 10 4 -10 6 . Multivariate calculations were carried out with various combinations of IT geometric parameters for channels of all types. When calculating the channel "3", the parameter l '/ l 1 varied within 0-1.
В качестве критерия эффективности канала и оптимального выбора размера ИТ, как и в работах [Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Влияние интенсификаторов теплообмена на теплогидравлические свойства каналов (обзор) //ТВТ. 2007. №6. С.925-953. Rudy M.P. et all. Developments in Enhanceed Heat Transfer Technology from a Petroleum Industry Perspective in 2012// Proceedings of the ASME 2012 Heat Transfer Conference. July 8-12, 2012, Puerto Rico.] служил относительный энергетический коэффициентAs a criterion for channel efficiency and the optimal choice of IT size, as in the works [Leontiev A.I., Olympiev V.V. The effect of heat transfer intensifiers on the thermohydraulic properties of channels (review) // TVT. 2007. No. 6. S.925-953. Rudy M.P. et all. Developments in Enhanceed Heat Transfer Technology from a Petroleum Industry Perspective in 2012 // Proceedings of the ASME 2012 Heat Transfer Conference. July 8-12, 2012, Puerto Rico.] Served as a relative energy coefficient
, ,
где Nuгл и ξгл - число Нуссельта и коэффициент сопротивления трения для гладкого канала.where Nu hl and ξ hl are the Nusselt number and the coefficient of friction resistance for a smooth channel.
При сопоставлении вариантов для канала одного типа (при каждом значении числа Рейнольдса) показателем наиболее высокой эффективности канала и оптимальных размеров ИТ являлось максимальное значение относительного энергетического коэффициента, для которого даны все материалы расчетов.When comparing options for a channel of one type (for each Reynolds number), the indicator of the highest channel efficiency and optimal IT sizes was the maximum value of the relative energy coefficient, for which all calculation materials are given.
Некоторые результаты расчетов для всех каналов даны в табл.1 и на фиг.2-4. При детальной оценке можно отметить, что
Размерные коэффициенты ξ для всех каналов автомодельны относительно числа Re-ξ/(Re), - что свойственно дискретной и песчано - зернистой шероховатости Никурадзе в режиме полного проявления шероховатости. Расчеты подтвердили сделанное в настоящей работе предположение - сопротивление канала «1» оказалось несколько меньше
В равных условиях эффективность канала «3» выше, чем показатель проверенного практикой высокоэффективного канала «2», фиг.4.In equal conditions, the efficiency of the channel "3" is higher than the indicator of the highly effective channel "2" tested by practice, Fig.4.
Claims (1)
l2=(90-100)h; l1=(90-100)h; l'/l1=0,05; h/D=0.03,
где
l2 - длина канавки, мм,
l1 - длина выступа, мм,
l' - длина участка выступа между неглубокими канавками, мм,
h - высота выступа, мм,
D - внутренний диаметр теплообменной трубы, мм. A heat exchange pipe, the channel of which is made with grooves and protrusions, characterized in that the channel is formed by smooth sections of the pipe and protrusions, while the protrusions are made with an additional heat transfer intensifier in the form of discrete grooves transverse to the flow, the channel being made with geometric ratios
l 2 = (90-100) h; l 1 = (90-100) h; l '/ l 1 = 0.05; h / D = 0.03,
Where
l 2 - the length of the groove, mm,
l 1 - the length of the protrusion, mm
l 'is the length of the section of the protrusion between the shallow grooves, mm,
h is the height of the protrusion, mm
D is the inner diameter of the heat exchanger pipe, mm
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013100303/06A RU2511859C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Heat exchanger pipe |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013100303/06A RU2511859C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Heat exchanger pipe |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2511859C1 true RU2511859C1 (en) | 2014-04-10 |
Family
ID=50438220
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013100303/06A RU2511859C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Heat exchanger pipe |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2511859C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2031348C1 (en) * | 1991-12-25 | 1995-03-20 | Луганский Машиностроительный Институт | Heat exchange surface |
RU2078296C1 (en) * | 1994-11-17 | 1997-04-27 | Наум Моисеевич Цирельман | Device for intensification of convective heat exchange |
JP2006322661A (en) * | 2005-05-18 | 2006-11-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Heat transfer tube for heat dissipation, and radiator |
-
2013
- 2013-01-09 RU RU2013100303/06A patent/RU2511859C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2031348C1 (en) * | 1991-12-25 | 1995-03-20 | Луганский Машиностроительный Институт | Heat exchange surface |
RU2078296C1 (en) * | 1994-11-17 | 1997-04-27 | Наум Моисеевич Цирельман | Device for intensification of convective heat exchange |
JP2006322661A (en) * | 2005-05-18 | 2006-11-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Heat transfer tube for heat dissipation, and radiator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Nilpueng et al. | Experimental study of single-phase heat transfer and pressure drop inside a plate heat exchanger with a rough surface | |
Pehlivan et al. | Experimental study of forced convective heat transfer in a different arranged corrugated channel | |
Yang et al. | Experimental study on convective heat transfer and flow resistance characteristics of water flow in twisted elliptical tubes | |
Kandlikar | Single-phase liquid flow in minichannels and microchannels | |
Wang et al. | Heat transfer and pressure drop in a smooth and ribbed turn region of a two-pass channel | |
CN103954162A (en) | Low resistance hydraulic cavitation structure with microchannel heat exchange enhancing function | |
Zhou et al. | Heat transfer characteristics of Cu-based microchannel heat exchanger fabricated by multi-blade milling process | |
Kapustenko et al. | The heat and momentum transfers relation in channels of plate heat exchangers | |
Shi et al. | Experimental study of flow condensation heat transfer in tubes partially filled with hydrophobic annular metal foam | |
Dizaji et al. | Heat transfer enhancement due to air bubble injection into a horizontal double pipe heat exchanger | |
Ling et al. | Experimental investigation on thermal and hydraulic performance of microchannels with interlaced configuration | |
Altaie et al. | Numerical investigation of heat transfer enhancement in a circular tube with rectangular opened rings | |
Shchelchkov | Thermohydraulic characteristics of discretely rough tubes for the transitional flow regime | |
Kumar et al. | Experimental investigations on thermo-hydraulic performance due to flow-attack-angle in multiple V-ribs with gap in a rectangular duct of solar air heaters | |
RU2511859C1 (en) | Heat exchanger pipe | |
Shah | Extended surface heat transfer | |
Khaled et al. | Thermal enhancement of rectangular channels using hook-shaped fins and dimples | |
Guo et al. | Entropy-based thermal hydraulic performances for microchannel heat sinks combined with ribs and cavities | |
Wang et al. | Experimental study on the liquid-side characteristics of meso-channel heat exchangers in fuel cell vehicles | |
RU2496072C1 (en) | Heat exchange pipe | |
Kotcioglu et al. | Thermal performance and pressure drop of different pin-fin geometries | |
Chalaev et al. | Heat transfer enhancement in a corrugated tube heat exchanger | |
RU2508516C1 (en) | Heat exchange tube | |
Kumar et al. | Hydraulic and thermal studies on a chevron type plate heat exchanger | |
Kondratiuk et al. | Analysis and Generalization of the Experimental Data on Heat Transfer in Staggered Bundles of Flat-Oval Tubes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160110 |