RU2610636C1

RU2610636C1 - Теплообменная поверхность

Info

Publication number: RU2610636C1
Application number: RU2016105063A
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Щукин; Андрей Владиславович Ильинков; Владимир Викторович Такмовцев; Николай Флавиевич Максимов
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-02-14

Abstract

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в различных теплообменных аппаратах. Теплообменная поверхность, содержащая расположенные в коридорном или шахматном порядке, параллельными рядами основные «безотрывные» выемки, при этом выемки в плане выполнены диффузорной формы по направлению движения основного потока теплоносителя со скругленными внутренними углами, донная часть выемок в плоскости их меридионального сечения образована двумя плавно соединяющимися между собой входным и выходным участками, входной участок имеет диффузорную форму и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру, а выходной участок - конфузорной формы соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру. Кроме того, между основными «безотрывными» выемками расположены дополнительные «безотрывные» или «отрывные» выемки различной формы. Технический результат – уменьшение габаритов теплообменного устройства и повышение эффективности системы охлаждения. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно - к теплоэнергетическим установкам, используемым для вентиляции и отопления помещений, зданий, сооружений, а также в различных теплообменных аппаратах, промышленных газотурбинных энергоустановках и двигателях.

Известно, что в научной теплотехнической литературе различают «безотрывные» и «отрывные» выемки, используемые для интенсификации теплообмена. Основным отличительным признаком этих двух типов выемок является их относительная глубина h/d, где h - максимальная глубина выемки, d - гидравлический диаметр выемки в плане.

Гидравлический диаметр выемки d=4F/П, где F - площадь выемки в плане, а П - ее периметр.

«Безотрывная» выемка (h/d≤0,1…0,2) содержит в потоке на обтекаемой поверхности продольные микровихри сравнительно небольших размеров. При движении теплоносителя внутри выемки микровихри прилегают к обтекаемой поверхности, как бы повторяя ее профиль, и поэтому не создают больших гидравлических потерь.

«Отрывная» выемка (h/d>0,2) создает крупномасштабные вихревые структуры, превосходящие по размерам и мощности микровихревые пристенные структуры, образующиеся в «безотрывных» выемках. При работе «отрывных» выемок увеличивается теплоотдача и растут гидравлические потери.

Известна матрица «безотрывных» сферических выемок (h/d=0,1…0,2), используемая для интенсификации теплообмена и принятая за прототип. Она исследована в работе: Беленький М.Я., Готовский М.А., Леках Б.М. и др. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формованных сферическими лунками // Теплофизика высоких температур. 1991, т. 29, №16. С. 1142-1147. Исследованная матрица сферических выемок имела относительную глубину h/d=0,1…0,2.

Подробные исследования единичного элемента этой матрицы - сферической выемки с h/d=0,1…0,2 опубликованы в статье Афанасьева В.Н., Чудновского Я.П. Теплообмен и трение при безотрывном обтекании сферических углублений турбулентным потоком воздуха // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1991. - №4. С. 15-25.

Основными недостатками исследованной теплообменной поверхности являются низкая эффективность и недостаточная полноценность использования поверхности выемки сферической формы для интенсификации теплоотдачи внутри полости.

Известно, что выемки на теплообменной поверхности матрицы могут иметь коридорное или шахматное расположение, причем это относится как к безотрывным, так и к отрывным выемкам. Например, в работе: Нагога, Т.П. Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин: учебное пособие / Г.П. Нагога. - М.: Изд-во МАИ, 1996. - 100 с. приведены результаты исследования теплоотдачи для матрицы с коридорным или шахматным расположением выемок.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении теплоотдачи около теплообменной поверхности в диффузорных «безотрывных» и «отрывных» выемках различных форм и конструктивных схем компоновки матрицы, обеспечивающих максимальную плотность взаимного расположения выемок, что позволит создать высокоэффективное, компактное теплообменное устройство и эффективную систему охлаждения газотурбинной энергоустановки или двигателя.

Технический результат достигается тем, что в теплообменной поверхности, содержащей расположенные в коридорном или шахматном порядке, параллельными рядами «безотрывные» выемки, новым является то, что выемки в плане выполнены диффузорной формы по направлению движения основного потока теплоносителя со скругленными внутренними углами, донная часть выемок в плоскости их меридионального сечения образована двумя плавно соединяющимися между собой входным и выходным участками, входной участок имеет диффузорную форму и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру, а выходной участок - конфузорной формы соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру.

Входной участок занимает 4/5 длины выемки L до ее максимальной глубины h и имеет радиус скругления с входной кромкой выемки по ее периметру R_вх=0,75/г, при этом отношение максимальной глубины выемки к гидравлическому диаметру d в плане h/d на этом участке увеличивается от нуля до 0,2, выходной участок имеет протяженность, равную (1/5) L, и радиус скругления с выходной кромкой выемки по ее периметру R_вых=h, а величина h/d на этом участке уменьшается от 0,2 до нуля.

«Безотрывные» выемки в плане выполнены в виде равнобедренного треугольника, вершина которого является входной кромкой, а основание треугольника - выходной кромкой.

«Безотрывные» выемки в плане выполнены в виде равнобедренной трапеции, меньшее основание которой является входной кромкой, а большее - выходной кромкой.

«Безотрывные» выемки в плане выполнены Т-образной формы, вершина треугольного продольного участка которой является входной кромкой, а стенка выпуклого поперечного участка - выходной кромкой.

На участках исходно гладкой теплообменной поверхности между упомянутыми выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» выемки с h/d≤0,2, причем в пределах одной матрицы теплообменной поверхности форма и размеры дополнительных выемок - одинаковы.

Дополнительные «безотрывные» выемки выполнены сферическими.

На участках исходно гладкой теплообменной поверхности между упомянутыми выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «отрывные» выемки с h/d>0,2, причем в пределах одной матрицы теплообменной поверхности форма и размеры дополнительных выемок одинаковы.

Дополнительные «отрывные» выемки выполнены сферическими с h/d>0,2 или двухполостными с диффузорными полостями с h/d>0,2.

Для коридорного и шахматного расположения «безотрывных» выемок на матрице теплообменной поверхности предлагается три конструктивные схемы их компоновки:

схема 1 - на матрице размещены только «безотрывные» выемки одинаковой формы в плане;

схема 2 - на участках исходно гладкой теплообменной поверхности матрицы между упомянутыми выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» сферические выемки одинакового размера;

схема 3 - в качестве дополнительных выемок используются «отрывные» сферические выемки или «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями, выполненные по патенту на изобретение RU 2569540 C1, причем в пределах одной матрицы дополнительные «отрывные» выемки выполняются одного размера.

Предложенное изобретение представлено на фиг. 1-7, где:

Фиг. 1 - теплообменная поверхность с основными «безотрывными» треугольными выемками, расположенными параллельными рядами - коридорное расположение; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» треугольными выемками, имеющими коридорное расположение, и дополнительными сферическими «безотрывными» выемками, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» треугольными выемками, имеющими коридорное расположение, и дополнительными «отрывными» двухполостными выемками с диффузорными полостями, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками.

Фиг. 2 - выполненные в масштабе 5:1 в меридиональной плоскости сечения основных «безотрывных» выемок треугольной, трапециевидной и T-образной формы для всех схем расположения выемок на теплообменной поверхности матрицы, а также сечения в меридиональной плоскости дополнительных «безотрывных» и «отрывных» сферических выемок.

Здесь:

вид а) - продольное сечение А-А основной «безотрывной» выемки;

вид б) - поперечное сечение Б-Б основной «безотрывной» выемки в зоне ее максимальной глубины h;

вид в) - сечение C-C дополнительной сферической «безотрывной» выемки в зоне ее максимальной глубины h_б/отр;

вид г) - сечение C-C дополнительной сферической «отрывной» выемки в зоне ее максимальной глубины h_отр.

Фиг. 3 - теплообменная поверхность с основными «безотрывными» треугольными выемками, расположенными в шахматном порядке; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» треугольными выемками, имеющими шахматное расположение, и дополнительными сферическими «безотрывными» выемками, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» треугольными выемками, имеющими шахматное расположение, и дополнительными «отрывными» двухполостными выемками с диффузорными полостями, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками.

Фиг. 4 - теплообменная поверхность с основными «безотрывными» трапециевидными выемками, расположенными параллельными рядами - коридорное расположение; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» трапециевидными выемками, имеющими коридорное расположение, и дополнительными сферическими «безотрывными» выемками, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» трапециевидными выемками, имеющими коридорное расположение, и дополнительными «отрывными» двухполостными выемками с диффузорными полостями, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками.

Фиг. 5 - теплообменная поверхность с основными «безотрывными» трапециевидными выемками, расположенными в шахматном порядке; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» трапециевидными выемками, имеющими шахматное расположение, и дополнительными сферическими «безотрывными» выемками, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» трапециевидными выемками, имеющими шахматное расположение, и дополнительными «отрывными» двухполостными выемками с диффузорными полостями, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками.

Фиг. 6 - теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, расположенными параллельными рядами - коридорное расположение; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, имеющими коридорное расположение, и дополнительными сферическими «безотрывными» выемками, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, имеющими коридорное расположение, и дополнительными «отрывными» двухполостными выемками с диффузорными полостями, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками.

Фиг. 7 - теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, расположенными в шахматном порядке; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, имеющими шахматное расположение, и дополнительными сферическими «безотрывными» выемками, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками; теплообменная поверхность с основными «безотрывными» Т-образными выемками, имеющими шахматное расположение, и дополнительными «отрывными» двухполостными выемками с диффузорными полостями, выполненными в смежных рядах на исходно гладкой поверхности между основными выемками.

На фиг. 1, 3-7:

вид а) - матрица теплообменной поверхности, выполненная по схеме 1;

вид б) - матрица теплообменной поверхности, выполненная по схеме 2;

вид в) - матрица теплообменной поверхности, выполненная по схеме 3,

где:

1 - исходно гладкая теплообменная поверхность матрицы;

2 - основные «безотрывные» выемки, имеющие в плане форму: равнобедренного треугольника (фиг. 1, фиг. 3), равнобедренной трапеции (фиг. 4, фиг. 5), T-образную (фиг. 6, фиг. 7);

3 - дополнительные «безотрывные» или «отрывные» сферические выемки (фиг. 1, б; фиг. 3, б; фиг. 4, б; фиг. 5, б; фиг. 6, б; фиг. 7, б);

4 - дополнительные «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в; фиг. 3, в; фиг. 4, в; фиг. 5, в; фиг. 6, в; фиг. 7, в);

5 - входная кромка основной «безотрывной» треугольной (фиг. 1, а), трапециевидной (фиг. 4, а), T-образной (фиг. 6, а) выемок;

6 - выходная кромка основной «безотрывной» треугольной (фиг. 1, а), трапециевидной (фиг. 4, а), T-образной (фиг. 6, а) выемок;

7 - боковые стенки основной «безотрывной» треугольной (фиг. 1, а), трапециевидной (фиг. 4, а), T-образной (фиг. 6, а) выемок;

8 - входная кромка дополнительных «безотрывной» или «отрывной» сферических выемок (фиг. 1, б);

9 - выходная кромка дополнительных «безотрывной» или «отрывной» сферических выемок (фиг. 1, б);

10 - входная кромка дополнительной «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в);

11 - выходная кромка дополнительной «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в);

12 - боковые стенки дополнительной «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в);

13 - продольное внутреннее ребро дополнительной «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями (фиг. 1, в).

На всех фигурах стрелкой показано направление движения теплоносителя.

По схеме 1 эффект повышения теплоотдачи около теплообменной поверхности достигается тем, что «безотрывные» выемки с h/d≤0,1…0,2 имеют одинаковую диффузорную форму в направлении основного потока в плане со скругленными по контуру кромками и скругленными вглубь выемок внутренними углами. «Безотрывные» выемки могут выполняться в виде: равнобедренных треугольников (фиг. 1, а) и (фиг. 3, а); равнобедренных трапеций (фиг. 4, а) и (фиг. 5, а); Т-образной формы (фиг. 6, а) и (фиг. 7, а).

Для выемок треугольной формы (см. фиг. 1, а) входной кромкой (5) является вершина треугольника (2), а выходной кромкой (6) - его основание.

Для выемок трапециевидной формы (см. фиг. 4, а) входной кромкой (5) является меньшее основание трапеции (2), а выходной кромкой (6) - большее основание трапеции.

Для выемок Т-образной формы (см. фиг. 6, а) входной кромкой (5) является вершина треугольного продольного участка Т-образной выемки (2), через который поток попадает в нее, а выходной кромкой (6) - стенка выпуклого поперечного участка, через которую поток выходит из выемки.

Диффузорная форма «безотрывных» выемок в плане для всех перечисленных схем обеспечивает более высокую степень диффузорности потока, обтекающего внутреннею поверхность выемок, увеличивая при этом интенсивность пристенных микровихрей и их протяженность, а значит, и теплоотдачу в выемках. Повышение интенсивности пристенных вихрей обусловлено снижением устойчивости потока в диффузорном течении, которое становится более склонным (восприимчивым) к образованию увеличивающих теплоотдачу микроотрывов около обтекаемой поверхности. Кроме этого в плоскости меридионального сечения всех форм «безотрывных» выемок (см. сечение А-А на фиг. 1, а; фиг. 4, а; фиг. 6, а) их донная часть выполнена определенной формы и образована двумя плавно соединяющимися между собой входным и выходным участками (фиг. 2, а). Входной участок имеет диффузорную форму, занимает 4/5 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру радиусом R_вх=0,75h, при этом отношение h/d на этом участке увеличивается от нуля до 0,2. Выходной участок - конфузорной формы, имеет протяженность, равную (1/5) L, соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру радиусом R_вых=h, а величина h/d на этом участке уменьшается от 0,2 до нуля.

Такая форма донной части в плоскости меридионального сечения для всех предлагаемых форм «безотрывных» выемок обеспечивает значительно более протяженный участок поверхности диффузорного типа, чем в сферической «безотрывной» выемке. Это способствует дополнительному увеличению степени диффузорности обтекающего выемку потока, что еще более увеличивает интенсивность пристенных микровихрей, и, как следствие, - теплоотдачу в выемке. При этом во всех схемах предлагаемых «безотрывных» выемок с целью снижения гидравлического сопротивления используется скругление кромок, как это видно на поперечном сечении выемки Б-Б (фиг. 2, б), где B - ширина выемки.

По схеме 2 на участках исходно гладкой теплообменной поверхности матрицы между упомянутыми основными «безотрывными» выемками треугольной, трапециевидной и Т-образной формы в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» сферические выемки одинакового размера с h/d≤0,2 (фиг. 1, б; фиг. 3, б; фиг. 4, б; фиг. 5, б; фиг. 6, б; фиг. 7, б). На фиг. 2, в показано сечение C-C в меридиональной плоскости дополнительной «безотрывной» сферической выемки, где D_б/отр, R_б/отр, h_б/отр - диаметр, радиус и максимальная глубина этой выемки.

Для «безотрывных» сферических выемок (см. фиг. 1, б) входной кромкой (8) является первая по ходу потока половина выемки (3), а выходной кромкой (9) - вторая по ходу потока половина выемки.

В дополнительных «безотрывных» сферических выемках происходят такие же гидродинамические процессы с образованием микровихрей, что и в «безотрывных» выемках, принятых за прототип. Это приводит к повышению теплоотдачи в них до более высокого уровня, чем на исходно гладкой обтекаемой потоком поверхности матрицы.

По схеме 3 на участках исходно гладкой теплообменной поверхности матрицы между упомянутыми основными «безотрывными» выемками треугольной, трапециевидной и Т-образной формы в смежных рядах выполнены дополнительные «отрывные» выемки. Предлагается две формы дополнительных «отрывных» выемок.

Дополнительные «отрывные» выемки сферической формы располагаются на матрицах аналогично дополнительным «безотрывным» сферическим выемкам, представленным на фиг. 1, б; фиг. 3, б; фиг. 4, б; фиг. 5, б; фиг. 6, б; фиг. 7, б). Входные и выходные кромки «отрывных» и «безотрывных» сферических выемок совпадают.

На фиг. 2, г показано сечение C-C в меридиональной плоскости дополнительной «отрывной» сферической выемки, где D_отр, R_отр, h_отр - диаметр, радиус и максимальная глубина этой выемки.

Двухполостные «отрывные» выемки с диффузорными полостями, выполненные по патенту на изобретение RU 2569540 C1, показаны на фиг. 1, в; фиг. 3, в; фиг. 4, в; фиг. 5, в; фиг. 6, в; фиг. 7, в. Для этих выемок (см. фиг. 1, в), имеющих в плане вид выпуклого треугольника, входной кромкой (10) является вершина треугольной части выемки, а выходной кромкой (11) - основание треугольника, разделенное продольным внутренним ребром (13).

В дополнительных «отрывных» выемках (h/d>0,2) происходят более эффективные процессы интенсификации теплоотдачи по сравнению с «безотрывными» выемками. В свою очередь, выбор «отрывных» двухполостных выемок с диффузорными полостями по сравнению со сферическими выемками «отрывного» типа объясняется их более высокой интенсификацией теплообмена с помощью двух мероприятий: во-первых, путем формирования двух отдельных полостей, разделенных продольным внутренним ребром, с образующимися в них непрерывно функционирующими автономными крупномасштабными вихревыми структурами, и, во-вторых, - путем организации диффузорного характера возвратного течения рабочего тела в каждой из этих полостей относительно основного направления движения потока теплоносителя. Отметим, что все дополнительные «отрывные» выемки в границах одной матрицы имеют одинаковые размеры.

Совместное использование основных «безотрывных» и дополнительных «отрывных» выемок в матрице позволяет получить около теплообменной поверхности более высокую теплоотдачу, по сравнению с использованием матриц только с «безотрывными» выемками различных схем их расположения на теплообменной поверхности. Наибольший эффект интенсификации теплообмена достигается при применении в качестве дополнительных «отрывных» выемок двухполостных выемок с диффузорными полостями. Связано это с тем, что диффузорные эффекты «безотрывных» и дополнительных «отрывных» выемок проявляются при их «зеркальном» (по отношении друг к другу) расположении в матрице (см. фиг. 1, в; фиг. 3, в; фиг. 4, в; фиг. 5, в; фиг. 6, в; фиг. 7, в). В результате такой комбинированной расстановки этих выемок, особенно при их шахматном расположении (см. фиг. 3, в; фиг. 5, в; фиг. 7, в), суммарная плотность расположения выемок на теплообменной поверхности близка к максимальной, что способствует максимальному конвективному теплопереносу в матрице по сравнению с меньшим значением плотности расположения выемок. В качестве дополнительных «отрывных» выемок могут быть использованы и другие формы выемок, например овальные или v-образные.

По сравнению с основными «безотрывными» выемками дополнительные «отрывные» выемки могут иметь большую глубину h, которая, при необходимости, может быть уменьшена за счет снижения их гидравлического диаметра d в плане до требуемого значения, обеспечивающего равенство глубин дополнительных и основных выемок, размещенных на теплообменной поверхности матрицы.

Теплообменная поверхность работает следующим образом.

При подаче воздуха, другого газа или жидкости на теплообменную поверхность матрицы, на которой в коридорном или шахматном порядке расположены основные «безотрывные» выемки, выполненные различной формы в плане, поток движется вдоль нее в направлении, указанном стрелкой, со структурой, определяемой геометрическими и режимными условиями обтекания основных «безотрывных» выемок. При обтекании матриц, у которых кроме основных «безотрывных» выемок на теплообменной поверхности в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» сферические или «отрывные» сферические, или «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями, картина течения изменяется, что обусловлено влиянием дополнительных выемок.

По схеме 1 обтекание матрицы с основными «безотрывными» выемками (на примере коридорного их расположения) происходит следующим образом. Поток теплоносителя после обтекания исходно гладкой поверхности (7) попадает через входную кромку (5) во внутреннюю полость «безотрывной» выемки (2), имеющую в плане треугольную (фиг. 1, а), трапециевидную (фиг. 4, а) или Т-образную (фиг. 6, а) формы. Благодаря расширяющимся боковым стенкам (7) выемки и углубляющейся ее донной поверхности (сечение А-А на фиг. 2, а) поток приобретает диффузорный характер. Причем, если в «безотрывной» сферической выемке (фиг. 2, в) диффузорная форма канала имеет место лишь в первой по ходу потока половине выемки, то в предлагаемых формах основных «безотрывных» выемок их боковые стенки (7) и профиль донной части в плоскости меридионального сечения обеспечивают диффузорную форму выемки на входном участке значительно большей протяженности - на расстоянии 4/5 ее длины L, отсчитывая от входной кромки (5). Таким образом, интенсификация теплообмена в предлагаемых основных «безотрывных» выемках будет происходить на длине (4/5) L (фиг. 2, а). На последующем вдоль потока выходном участке выемки размером (1/5) L конфузорный характер донной части выемки и диффузорный характер ее боковых стенок (7) приведет к примерно безградиентному или слабоконфузорному течению, что не ухудшает теплоотдачи, по сравнению с конфузорным течением потока в «безотрывной» сферической выемке.

При шахматном расположении основных «безотрывных» выемок происходят аналогичные процессы интенсификации теплообмена, при этом их интенсивность может быть несколько выше за счет большего количества выемок, размещаемых на теплообменной поверхности матрицы, и положительного взаимного влияния друг на друга выемок, расположенных в смежных рядах.

Схема 2 отличается от первой тем, что на теплообменной поверхности матрицы на ее исходно гладких участках между основными «безотрывными» выемками треугольной, трапециевидной и Т-образной формы размещены дополнительные «безотрывные» сферические выемки (фиг. 1, б; фиг. 3, б; фиг. 4, б; фиг. 5, б; фиг. 6, б; фиг. 7, б). При обтекании матрицы теплоносителем в дополнительных «безотрывных» сферических выемках, аналогично «безотрывным» сферическим выемкам по прототипу, образуются микровихри, увеличивающие теплоотдачу в них до более высокого уровня, нежели на обтекаемой исходно гладкой поверхности матрицы. В результате повышается средняя теплоотдача всей матрицы с основными и дополнительными «безотрывными» выемками. Аналогичные физические процессы интенсификации теплоотдачи с использованием дополнительных «безотрывных» сферических выемок происходят как при коридорном, так и при шахматном расположении выемок на теплообменной поверхности матрицы. Из литературы известно, что для традиционных сферических выемок «отрывного» и «безотрывного» типов шахматное их расположение, с точки зрения интенсивности процессов теплообмена, является предпочтительным, по сравнению с коридорным расположением выемок. Физически обоснованно можно полагать, что применительно к предлагаемым схемам выемок эта рекомендация остается в силе.

Схему 3 теплообменной поверхности целесообразно использовать в том случае, когда при ее работе необходимо обеспечить более высокую по сравнению с первыми двумя схемами степень интенсификации теплообмена. С этой целью на исходно гладких участках матрицы между основными «безотрывными» выемками в смежных рядах размещаются дополнительные «отрывные» сферические выемки (вид матриц аналогичен представленным на фиг. 1, б; фиг. 3, б; фиг. 4, б; фиг. 5, б; фиг. 6, б; фиг. 7, б) или «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями, выполненные по патенту на изобретение RU 2569540 C1 (фиг. 1, в; фиг. 3, в; фиг. 4, в; фиг. 5, в; фиг. 6, в; фиг. 7, в). Выбор «отрывных» двухполостных выемок с диффузорными полостями по сравнению со сферическими выемками «отрывного» типа позволяет обеспечить более высокую интенсификацию теплообмена и, как следствие, повысить эффективность работы теплообменной поверхности.

Как видно из схем теплообменных поверхностей, где используются двухполостные выемки с диффузорными полостями, входными и выходными кромками основных «безотрывных» и дополнительных «отрывных» выемок являются их разные стенки.

Для основных «безотрывных» выемок, имеющих в плане диффузорную форму: треугольные выемки - входной кромкой является вершина треугольника, а выходной кромкой его основание; трапециевидные выемки - входной кромкой является меньшее основание, а выходной кромкой - большее основание трапеции; Т-образные выемки - вершина треугольного продольного участка, через который поток входит в выемку, является входной кромкой, а стенка выпуклого поперечного участка, через которую поток выходит из выемки, - выходной кромкой. При обтекании основных «безотрывных» выемок диффузорный характер течения обеспечивается во всей полости выемки.

В дополнительных «отрывных» двухполостных выемках с диффузорными полостями - наоборот: входная кромка - это участок стенки выемки, примыкающий к вершине выпуклого треугольника, а выходная кромка - участок стенки, примыкающий к его основанию, разделенный продольным внутренним ребром.

Связано это с тем, что в основных «безотрывных» выемках конвективный перенос теплоты осуществляется между стенкой и безотрывным потоком, совпадающим с направлением движения основного потока теплоносителя, обтекающего теплообменную поверхность. А в «отрывных» двухполостных выемках с диффузорными полостями - наоборот: конвективный теплоперенос осуществляется между стенкой и возвратным течением, противоположным направлению основного потока теплоносителя.

Такое «зеркальное» расположение на теплообменной поверхности матрицы основных «безотрывных» и дополнительных «отрывных» выемок, связанное с эффективным их функционированием в качестве интенсификаторов теплоотдачи, позволяет весьма удачно заполнить интенсификаторами теплообмена практически всю теплообменную поверхность, тогда как с помощью сферических инетенсификаторов теплообмена обеспечивается меньшая плотность расположения выемок. В нашем же случае плотность расположения интенсификаторов на теплообменной поверхности ограничивается лишь механической прочностью перемычек между выемками и необходимостью обеспечить их скругление. Кроме этого в предлагаемых схемах основные «безотрывные» и дополнительные «отрывные» выемки должны иметь одинаковые абсолютные значения максимальных глубин выемок (h_БВ=h_ДВДП). Данное требование объясняется необходимостью обеспечения равнопрочности стенок теплообменной поверхности, снижением термических напряжений в ней и более высокой технологичностью.

В этом случае абсолютные значения максимальных глубин выемок вычисляются по формуле:

h_ДВДП=h_БВ=d_ДВДП(h/d)_ДВДП=d_БВ(h/d)_БВ,

где h_БВ, d_БВ - глубина и гидравлический диаметр в плане основной «безотрывной» выемки соответственно; h_ДВДП, d_ДВДП - глубина и гидравлический диаметр в плане «отрывной» двухполостной выемки с диффузорными полостями соответственно.

Основные «безотрывные» выемки всегда будут иметь более обширные площади в плане, нежели дополнительные «отрывные» двухполостные выемки с диффузорными полостями.

Сравнивая схемы расположения основных «безотрывных» и дополнительных «отрывных» выемок, выполненных по схеме 3, можно отметить следующее.

Использование трапециевидных «безотрывных» выемок (фиг. 4, в; фиг. 5, в) по сравнению с их треугольной формой (фиг. 1, в; фиг. 3, в) повышает эффективность работы «безотрывных» выемок. Это происходит за счет увеличения начальной (начиная от входной кромки) ширины выемок в плане, что позволяет образовываться сразу целому семейству микровихрей Тейлора-Гертлера, а не одному микровихрю, возникающему в области вершины треугольной «безотрывной» выемки.

Применение Т-образных «безотрывных» выемок (фиг. 6, в; фиг. 7, в) по сравнению с их треугольной (фиг. 1, в; фиг. 3, в) и трапециевидной (фиг. 4, в; фиг. 5, в) формами обеспечивает наибольший диффузорный эффект повышения теплоотдачи именно в области большой ширины, а значит, и площади выемки, позволяет создавать максимально возможную плотность расположения выемок в матрице. Особенно это касается дополнительных «отрывных» двухполостных выемок с диффузорными полостями, в которых создаются более благоприятные условия для организации и повышения мощности крупномасштабных вихревых структур, когда обводы выемок фактически эквидистантны внешним линиям тока этих структур.

Claims

1. Теплообменная поверхность, содержащая расположенные в коридорном или шахматном порядке, параллельными рядами «безотрывные» выемки, отличающаяся тем, что выемки в плане выполнены диффузорной формы по направлению движения основного потока теплоносителя со скругленными внутренними углами, донная часть выемок в плоскости их меридионального сечения образована двумя плавно соединяющимися между собой входным и выходным участками, входной участок имеет диффузорную форму и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру, а выходной участок конфузорной формы соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру.

2. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что входной участок занимает 4/5 длины выемки L до ее максимальной глубины h и имеет радиус скругления с входной кромкой выемки по ее периметру R_вх=0,75h, при этом отношение максимальной глубины выемки к гидравлическому диаметру d в плане h/d на этом участке увеличивается от нуля до 0,2, выходной участок имеет протяженность, равную (1/5) L, и радиус скругления с выходной кромкой выемки по ее периметру R_вых=h, а величина h/d на этом участке уменьшается от 0,2 до нуля.

3. Теплообменная поверхность по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что «безотрывные» выемки в плане выполнены в виде равнобедренного треугольника, вершина которого является входной кромкой, а основание треугольника - выходной кромкой.

4. Теплообменная поверхность по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что «безотрывные» выемки в плане выполнены в виде равнобедренной трапеции, меньшее основание которой является входной кромкой, а большее - выходной кромкой.

5. Теплообменная поверхность по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что «безотрывные» выемки в плане выполнены Т-образной формы, вершина треугольного продольного участка которой является входной кромкой, а стенка выпуклого поперечного участка - выходной кромкой.

6. Теплообменная поверхность по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на участках исходно гладкой теплообменной поверхности между упомянутыми выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «безотрывные» выемки с h/d≤0,2, причем в пределах одной матрицы теплообменной поверхности форма и размеры дополнительных выемок одинаковы.

7. Теплообменная поверхность по п. 6, отличающаяся тем, что дополнительные «безотрывные» выемки выполнены сферическими.

8. Теплообменная поверхность по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на участках исходно гладкой теплообменной поверхности между упомянутыми выемками в смежных рядах выполнены дополнительные «отрывные» выемки с h/d>0,2, причем в пределах одной матрицы теплообменной поверхности форма и размеры дополнительных выемок одинаковы.

9. Теплообменная поверхность по п. 8, отличающаяся тем, что дополнительные «отрывные» выемки выполнены сферическими с h/d>0,2.

10. Теплообменная поверхность по п. 8, отличающаяся тем, что дополнительные «отрывные» выемки выполнены двухполостными с диффузорными полостями с h/d>0,2.