RU2675733C1 - Heat exchanging surface - Google Patents

Heat exchanging surface Download PDF

Info

Publication number
RU2675733C1
RU2675733C1 RU2018107160A RU2018107160A RU2675733C1 RU 2675733 C1 RU2675733 C1 RU 2675733C1 RU 2018107160 A RU2018107160 A RU 2018107160A RU 2018107160 A RU2018107160 A RU 2018107160A RU 2675733 C1 RU2675733 C1 RU 2675733C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
recess
recesses
heat exchange
radius
angle
Prior art date
Application number
RU2018107160A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Викторович Щукин
Андрей Владиславович Ильинков
Владимир Викторович Такмовцев
Ильмир Ильдарович Хабибуллин
Ильнар Шавкатович Зарипов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2018107160A priority Critical patent/RU2675733C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2675733C1 publication Critical patent/RU2675733C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15DFLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00Influencing flow of fluids
    • F15D1/10Influencing flow of fluids around bodies of solid material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements

Abstract

FIELD: heat-and-power engineering.SUBSTANCE: invention relates to a power system, specifically to heat exchangers, cooling systems for industrial gas turbine power plants and aircraft engines. Heat exchange surface (1) contains separated recesses (2) with variable depth and width, each of which, in their longitudinal plane of symmetry, in the direction of movement of the external coolant flow, is made of two smoothly connecting in bottom part (14) of input divergent (7) and output convergent (8) areas. Recesses (2) in plan are made of confused forms from their input (3) to the output (4) edges connected by side walls (5) and (6) with an angle of confusion between them α=30°, and the longitudinal plane of symmetry of the grooves is rotated with an angle β=30°…45° relative to the direction of movement of the aforementioned external coolant flow. Input divergent area (7) occupies 1/3 of the length of recess (2) L to its maximum depth h and is connected by rounding to input edge (3) of the recess along its perimeter with a radius R=h, the ratio of the maximum depth of recess (2) to the hydraulic diameter din terms of h/din this area increases from zero to 0.44, output convergent area (8) is inclined at angle γ=22° to the initially smooth heat exchange surface (1), has a length equal to (2/3)L, is connected by rounding to input edge (4) of recess (2) along its perimeter with a radius R=0.25R, and the value of h/din this area decreases from 0.44 to zero. Side walls of the grooves and the bottom part connecting them are concave with a radius of curvature R ≈ (4…6)R.EFFECT: invention allows to increase the cooling efficiency of heat-stressed elements, to increase the resource of their work while simplifying the manufacturing technology and reducing costs in the production process.5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к теплообменным аппаратам, системам охлаждения турбинных лопаток промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей.The invention relates to the field of power engineering, and specifically to heat exchangers, cooling systems for turbine blades of industrial gas turbine power plants and aircraft engines.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования по определению рациональной формы выемок - интенсификаторов теплообмена, обеспечивающих, наряду с высокой теплоотдачей и сравнительно небольшими гидравлическими потерями, упрощение технологии изготовления теплообменной поверхности и удешевление процесса производства. Также большое внимание уделяется расположению выемок на теплообменной поверхности относительно направления движения потока и относительно друг друга.Currently, intensive research is underway to determine the rational shape of the notches - heat transfer intensifiers, which, along with high heat transfer and relatively small hydraulic losses, simplify the technology of manufacturing the heat exchange surface and reduce the cost of the production process. Much attention is also paid to the location of the recesses on the heat exchange surface relative to the direction of flow and relative to each other.

Известно, что в теплоэнергетических установках для интенсификации конвективного теплообмена в системах охлаждения рабочих элементов наиболее целесообразно использовать «отрывные» выемки. Основным отличительным признаком «отрывных» выемок является их относительная глубина h/dг, где h - максимальная глубина выемки, dг=4F/П - гидравлический диаметр выемки в плане. Здесь F - площадь выемки в плане, а П - ее периметр. «Отрывная» выемка (h/dг>0,2) создает самоорганизующиеся крупномасштабные вихревые структуры (СКВС), увеличивающие теплоотдачу и гидравлические потери: (см. монографию «Интенсификация теплообмена сферическими выемками при воздействии возмущающих факторов» / А.В. Щукин, А.П. Козлов, Р.С. Агачев, Я.П. Чудновский; под ред. акад. В.Е. Алемасова. Казань: Изд-во Казан, гос. Техн. Ун-та, 2003. - 143 с. It is known that in thermal power plants for the intensification of convective heat transfer in cooling systems of working elements, it is most expedient to use "tear-off" recesses. The main distinguishing feature of “tear-off” recesses is their relative depth h / d g , where h is the maximum depth of the recess, d g = 4F / P is the hydraulic diameter of the recess in plan. Here F is the notch area in the plan, and P is its perimeter. The “tear-off” recess (h / d g > 0.2) creates self-organizing large-scale vortex structures (SCRS) that increase heat transfer and hydraulic losses: (see the monograph “Intensification of heat transfer by spherical recesses under the influence of disturbing factors” / A.V. Schukin, A.P. Kozlov, R.S. Agachev, Y.P. Chudnovsky; edited by Academician V.E. Alemasov.Kazan: Kazan Publishing House, State Technical University, 2003. - 143 p.

Известна работа по исследованию единичной асимметрично расположенной относительно движения внешнего потока теплоносителя овальной «отрывной» выемки: Воропаев Г.А., Воскобойник А.В., Воскобойник Г.А, Исаев С.А. Визуализация ламинарного обтекания овального углубления // Прикладна гiдромеханiка. 2009. Том 11, №4. С. 31-46. Проведенные в этой работе эксперименты с различными углами β установки овальной «отрывной» выемки при ламинарном режиме течения набегающего внешнего потока теплоносителя при числе Рейнольдса Red=4⋅103 показали, что наибольшая теплогидравлическая эффективность и формирование устойчивых вихревых структур в закромочном следе выемки обеспечиваются при β=60° относительно направления набегающего потока.Known work on the study of a single oval "tear-off" recess asymmetrically located relative to the movement of the external heat carrier fluid: Voropaev G.A., Voskoboinik A.V., Voskoboinik G.A., Isaev S.A. Visualization of the laminar flow around an oval recess // Applied Hydromechanics. 2009. Volume 11, No. 4. S. 31-46. The experiments carried out in this work with different angles β of the installation of an oval “tear-off” recess under the laminar flow regime of the incident external coolant flow with the Reynolds number Re d = 4⋅10 3 showed that the greatest thermo-hydraulic efficiency and the formation of stable vortex structures in the edge track of the recess are ensured when β = 60 ° relative to the direction of the oncoming flow.

В данной работе рассматривается ламинарный режим движения набегающего потока на овальную «отрывную» выемку, не соответствующий условиям, возникающим в системах охлаждения теплообменных аппаратов и, особенно, в системах охлаждения лопаток турбин промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей, где режим течения охладителя - турбулентный, а число Рейнольдса может достигать значений Red=(40…80)⋅103 и более.In this paper, we consider the laminar flow regime of an oncoming flow to an oval “tear-off” recess that does not meet the conditions that arise in the cooling systems of heat exchangers and, especially, in the cooling systems of turbine blades of industrial gas turbine power plants and aircraft engines, where the flow mode of the cooler is turbulent, and Reynolds number can reach Re d = (40 ... 80) ⋅10 3 and more.

Известна работа по исследованию установленных ассиметрично относительно их продольной плоскости симметрии «отрывных» выемок овально-траншейного типа, используемых для интенсификации теплоотдачи на турбулентных режимах течения: Щелчков А.В. «Физическое и численное моделирование интенсификации теплообмена поверхностными генераторами вихрей в трактах систем охлаждения»: Автореф… дис. д-ра техн. наук. - Казань: КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2017. - 65 с. Проведенные в работе испытания элементов кожухотрубных теплообменных аппаратов транспортного оборудования в диапазоне чисел Red=4⋅103…2⋅104 с овально-траншейными выемками, установленными под углом β=45° к набегающему потоку, показали следующее. Предложенная овально-траншейная форма выемок относительно большого удлинения (lk/b=5,57 и lk/b=6,78, где lk - длина вдоль оси, a b - ширина овально-траншейной выемки), наклоненная к потоку в плане под углом β=45°, генерирует спиралевидную вихревую структуру с максимальной скоростью вторичного течения в канале порядка 80…100% от характерной (максимальной или среднемассовой скорости потока). Такой характер течения в интенсификаторах овально-траншейной формы в плане позволяет в два раза повысить относительную теплоотдачу, но только лишь в отрывной зоне, расположенной в верховье овально-траншейной выемки при увеличении в полтора раза абсолютной величины относительного трения.Known work on the study established asymmetrically relative to their longitudinal plane of symmetry of the "tear-off" recesses of the oval-trench type, used to intensify heat transfer in turbulent flow regimes: A. Schelchkov “Physical and numerical modeling of heat transfer intensification by surface vortex generators in the paths of cooling systems”: Abstract ... dis. Dr. tech. sciences. - Kazan: KNITU-KAI named after A.N. Tupolev, 2017 .-- 65 p. The tests carried out in the work of elements of shell-and-tube heat exchangers of transport equipment in the range of numbers Re d = 4⋅10 3 ... 2⋅10 4 with oval-trench recesses installed at an angle β = 45 ° to the incoming flow showed the following. The proposed oval-trench shape of the recesses of relatively large elongation (l k / b = 5.57 and l k / b = 6.78, where l k is the length along the axis, ab is the width of the oval-trench recess), inclined to the flow in the plan at an angle β = 45 °, it generates a spiral vortex structure with a maximum secondary flow velocity in the channel of about 80 ... 100% of the characteristic (maximum or mass average flow velocity). This type of flow in the oval-trench shape intensifiers in plan allows to increase the relative heat transfer by a factor of two, but only in the separation zone located in the upper part of the oval-trench recess with an increase of one and a half times the absolute value of the relative friction.

Нанесение на теплообменную поверхность охлаждаемых лопаток турбин промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей асимметричных «отрывных» овально-траншейных выемок относительно большого удлинения приведет к образованию местных концентраторов напряжений и к снижению прочности материала турбинных лопаток, воспринимающих большие тепловые, динамические и вибрационные нагрузки.The application of asymmetric “tear-off” oval-trench recesses of relatively large elongation to the heat-exchange surface of the cooled turbine blades of industrial gas turbine power plants and aircraft engines will lead to the formation of local stress concentrators and to a decrease in the strength of the material of turbine blades that absorb large thermal, dynamic and vibration loads.

Известна теплообменная поверхность с симметрично расположенными относительно ее продольной плоскости симметрии двухполостными диффузорными выемками (ДДВ): Патент №2569540 Российская Федерация, МПК F28F 3/00; F15D 1/10; опубл. 27.11.2015.Known heat transfer surface with symmetrically arranged relative to its longitudinal plane of symmetry two-cavity diffuser grooves (DDV): Patent No. 2569540 Russian Federation, IPC F28F 3/00; F15D 1/10; publ. 11/27/2015.

Каждая ДДВ представляет собой выемку с переменной глубиной и шириной, уменьшающимися в направлении движения основного потока теплоносителя, в которой выполнено ребро, расположенное вдоль основного потока в верхней по потоку части и образующее в возвратном течении две диффузорные полости внутри этой выемки, симметрично расположенные относительно ее ребра и ее продольной плоскости симметрии. При обтекании выемки внешним потоком в каждой из ее двух полостей происходит непрерывная во времени самоорганизация СКВС. Возвратное течение в обеих полостях приобретает диффузорный характер за счет диффузорной формы каналов, что приводит к повышению неустойчивости возвратного течения, интенсификации возникновения СКВС и интенсификации теплообмена в ДДВ.Each DDV is a recess with a variable depth and width, decreasing in the direction of movement of the main coolant flow, in which a rib is made, located along the main flow in the upstream part and forming in the return flow two diffuser cavities inside this recess, symmetrically located relative to its ribs and its longitudinal plane of symmetry. When an external stream flows around the recess in each of its two cavities, self-organization of the SFC takes place continuously in time. The return flow in both cavities acquires a diffuser character due to the diffuser shape of the channels, which leads to an increase in the instability of the return flow, the intensification of the occurrence of SCSS and the intensification of heat transfer in the DDW.

Результаты экспериментального исследования как единичных моделей ДДВ, так и матрицы теплообменной поверхности с рельефом в виде ДДВ приведены в работе: Хабибуллин И.И. «Интенсификация теплообмена двухполостными диффузорными выемками»: Автореф…дис. канд. техн. наук. - Казань: КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2016. - 20 с. Полученные опытные данные показали сравнительно высокий уровень интенсификации теплоотдачи при использовании ДДВ, которые позволяют увеличить теплоотдачу более чем в 3 раза по сравнению с гладкой пластиной при высокой энергетической эффективности интенсификации теплообмена.The results of an experimental study of both individual DDV models and the matrix of a heat-exchange surface with a relief in the form of DDV are given in the work: Khabibullin I.I. “Intensification of heat transfer by two-cavity diffuser recesses”: Author's abstract ... dis. Cand. tech. sciences. - Kazan: KNITU-KAI named after A.N. Tupolev, 2016 .-- 20 p. The obtained experimental data showed a relatively high level of heat transfer intensification when using DDW, which can increase heat transfer by more than 3 times compared to a smooth plate with high energy efficiency of heat transfer intensification.

Технологичность изготовления таких выемок на теплообменной поверхности не высока, особенно при выполнении ребра, расположенного во внутренней полости ДДВ. Кроме того, наличие ребра, обтекаемого высокотемпературным потоком, может привести к возникновению повышенных температурных напряжений в этой зоне и к его тепловой деформации. В результате произойдет нарушение гидродинамических процессов образования и развития СКВС и, как следствие, снижение интенсификации теплообмена.The manufacturability of manufacturing such recesses on a heat exchange surface is not high, especially when performing a rib located in the internal cavity of the DDV. In addition, the presence of a rib streamlined by a high-temperature flow can lead to the appearance of increased temperature stresses in this zone and to its thermal deformation. As a result, there will be a violation of the hydrodynamic processes of the formation and development of SLE and, as a result, a decrease in the intensification of heat transfer.

Известна теплообменная поверхность с интенсификаторами теплообмена, выполненными в виде «отрывных» сферических выемок, наиболее близкая по технической сущности к заявляемому изобретению и принятая за прототип. Происходящие в «отрывных» сферических выемках физические процессы и результаты их внедрения опубликованы в монографии «Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена»: монография / Ю.Ф. Гортышов, И.А. Попов, В.В. Олимпиев, А.В. Щелчков, С.И. Каськов; под общ. ред. Ю.Ф. Гортышова. - Казань: Центр инновационных технологий, 2009. - 531 с.Known heat transfer surface with heat transfer intensifiers, made in the form of "tear-off" spherical recesses, the closest in technical essence to the claimed invention and adopted as a prototype. The physical processes occurring in the “tear-off” spherical cavities and the results of their implementation are published in the monograph “Thermohydraulic efficiency of promising methods of heat transfer intensification in the channels of heat-exchange equipment. Intensification of heat transfer ": monograph / Yu.F. Gortyshov, I.A. Popov, V.V. Olimpiev, A.V. Schelchkov, S.I. Kaskov; under the general. ed. Yu.F. Gortyshova. - Kazan: Center for Innovative Technologies, 2009. - 531 p.

Технология изготовления этих выемок наиболее проста по сравнению с другими формами выемок, отработана и не требует значительных финансовых затрат.The manufacturing technology of these recesses is the simplest in comparison with other forms of recesses, worked out and does not require significant financial costs.

Результаты экспериментального и теоретического исследования гидродинамических процессов в «отрывных» сферических выемках показывают, что в выемках этого типа существует одна СКВС, которая возникает последовательно то в одном, то в другом эпицентре выемки. Имеет место дискретный во времени характер выхода этих вихревых структур из сферических выемок на исходно гладкую плоскую теплообменную поверхность между выемками. В результате примерно 45% времени вихрь существует в одном эпицентре, 45% времени - в другом, и около 10% времени занимает процесс переброски вихревой структуры из одного эпицентра в другой.The results of experimental and theoretical studies of hydrodynamic processes in "tear-off" spherical recesses show that in the recesses of this type there is one SFC, which occurs successively in one or another epicenter of the recess. There is a time-discrete character of the exit of these vortex structures from spherical recesses to an initially smooth flat heat-exchange surface between the recesses. As a result, about 45% of the time, the vortex exists in one epicenter, 45% of the time in another, and about 10% of the time is spent on the process of transferring the vortex structure from one epicenter to another.

Авторы многочисленных исследований считают, что причиной образования СКВС в «отрывных» сферических выемках является неустойчивость образующегося на вогнутой поверхности выемки пограничного слоя. Активное воздействие центробежных массовых сил приводит к образованию в ламинарном подслое микровихрей Тэйлора-Гертлера, которые провоцируют дискретно возникающие в выемке смерчеобразные структуры.The authors of numerous studies believe that the cause of the formation of SLE in “tear-off” spherical recesses is the instability of the boundary layer formed on the concave surface of the recess. The active action of centrifugal mass forces leads to the formation of Taylor-Gertler microvortices in the laminar sublayer, which provoke tornado-like structures discretely appearing in the recess.

Отсюда следует, что основной причиной интенсификации теплообмена на плоских участках поверхности между выемками являются эти СКВС, выходящие из выемок и присоединяющиеся к поверхности за выемкой.It follows that the main reason for the intensification of heat transfer on flat parts of the surface between the recesses is these SCRs that exit the recesses and join the surface behind the recess.

В «отрывных» сферических выемках скорость возвратного течения мала и отсутствуют факторы, интенсифицирующие конвективный процесс переноса теплоты. Это приводит к тому, что коэффициент теплоотдачи в выемках ниже, чем при обтекании исходно гладкой поверхности. Кроме того, эффективность повышения теплоотдачи в «отрывных» сферических выемках значительно ниже, чем в ДДВ.In "tear-off" spherical recesses, the rate of return flow is small and there are no factors intensifying the convective process of heat transfer. This leads to the fact that the heat transfer coefficient in the recesses is lower than when flowing around an initially smooth surface. In addition, the efficiency of increasing heat transfer in "tear-off" spherical recesses is much lower than in DDV.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности интенсификации конвективного теплообмена в теплообменниках различного типа, в системах охлаждения турбинных лопаток промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей.The technical problem to which the invention is directed is to increase the efficiency of convective heat transfer intensification in various types of heat exchangers, in cooling systems of turbine blades of industrial gas turbine power plants and aircraft engines.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении теплоотдачи около теплообменной поверхности в «отрывных» конфузорных выемках (далее по тексту - выемках) асимметрично установленных относительно движения внешнего потока теплоносителя, обладающих возможностью непрерывной генерации СКВС внутри выемки, при более простой и дешевой технологии изготовления. Это позволит повысить эффективность охлаждения теплонапряженных элементов, увеличить ресурс их работы при упрощении технологии изготовления и снижении затрат в процессе производства.The technical result, the achievement of which the present invention is directed, is to increase heat transfer near the heat exchange surface in "tear-off" confuser cavities (hereinafter referred to as the notches) asymmetrically established with respect to the movement of the external heat carrier flux, having the possibility of continuous generation of HSS inside the cavity, with a simpler and cheap manufacturing technology. This will increase the cooling efficiency of heat-stressed elements, increase the resource of their work while simplifying the manufacturing technology and reducing costs in the production process.

Технический результат достигается тем, что на теплообменной поверхности, содержащей «отрывные» выемки с переменной глубиной и шириной, каждая из которых в их продольной плоскости симметрии, в направлении движения внешнего потока теплоносителя, выполнена из двух плавно соединяющихся в донной части входного диффузорного и выходного конфузорного участков, новым является то, что выемки в плане выполнены конфузорной формы от их входных до выходных кромок, соединенных боковыми стенками, при этом продольная плоскость симметрии выемок повернута на угол β=30°…45° относительно направления движения вышеупомянутого внешнего потока теплоносителя.The technical result is achieved by the fact that on a heat exchange surface containing "tear-off" recesses with a variable depth and width, each of which in their longitudinal plane of symmetry, in the direction of movement of the external coolant flow, is made of two smoothly connected in the bottom of the input diffuser and output confuser sections, new is that the recesses in the plan are made of confusor shape from their inlet to the outlet edges connected by side walls, while the longitudinal plane of symmetry of the recesses is turned uta by an angle β = 30 ° ... 45 ° relative to the direction of motion of the aforementioned external coolant flow.

Входной диффузорный участок занимает 1/3 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвх=h, при этом отношение максимальной глубины выемки к гидравлическому диаметру dг в плане h/dг на этом участке увеличивается от нуля до 0,44, выходной конфузорный участок имеет протяженность, равную (2/3)L, соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвых=0,25Rвх, а величина h/dг на этом участке уменьшается от 0,44 до нуля.The inlet diffuser section occupies 1/3 of the length of the recess L to its maximum depth h and is connected by rounding to the inlet edge of the recess along its perimeter with a radius R in = h, while the ratio of the maximum depth of the recess to the hydraulic diameter d g in terms of h / d g on this portion is increased from zero to 0.44, the output convergent section has a length equal to (2/3) L, is connected to the output edge rounding of the recess around its perimeter radius r O = 0,25R Rin, and the value h / d g at this site decreases from 0.44 to zero.

Выходной конфузорный участок выемки в донной части наклонен под углом γ=22° к ее исходно гладкой поверхности.The output confuser portion of the recess in the bottom is inclined at an angle γ = 22 ° to its initially smooth surface.

Угол конфузорности между боковыми стенками выемок в направлении от входной к выходной кромкам составляет α=30°.The confusion angle between the side walls of the recesses in the direction from the input to the output edges is α = 30 °.

Боковые стенки выемок и соединяющая их донная часть выполнены вогнутыми с радиусом кривизны R ≈ (4…6)Rвх.The side walls of the recesses and the bottom part connecting them are made concave with a radius of curvature R ≈ (4 ... 6) R in .

Предложенное изобретение представлено на фиг. 1-4 где:The proposed invention is presented in FIG. 1-4 where:

Фиг. 1. - 3D модель выемки на теплообменной поверхности;FIG. 1. - 3D model of a recess on a heat exchange surface;

Фиг. 2 - выемка на теплообменной поверхности в плане;FIG. 2 - recess on the heat exchange surface in plan;

Фиг. 3 - сечение А-А в продольной плоскости симметрии выемки;FIG. 3 - section AA in the longitudinal plane of symmetry of the recess;

Фиг. 4. - значения относительного числа Нуссельта (Nu/Nuгл), характеризующие интенсификацию теплообмена относительно исходно гладкой поверхности при использовании «отрывных» выемок: сферических; конфузорных; ДДВ (расположенных слева направо).FIG. 4. - values of the relative Nusselt number (Nu / Nu hl ), characterizing the intensification of heat transfer relative to the initially smooth surface when using "tear-off" recesses: spherical; Confusory DDV (located from left to right).

На фиг. 1-3 большими стрелками показано направление движения внешнего потока теплоносителя, а малыми стрелками обозначено движение части внешнего потока теплоносителя, попадающего внутрь выемок.In FIG. 1-3, the large arrows show the direction of motion of the external coolant flow, and the small arrows indicate the movement of a part of the external coolant flow that enters the recesses.

Где:Where:

1 - теплообменная поверхность.1 - heat transfer surface.

2 - выемка.2 - recess.

3 - входная кромка выемки по направлению движения внешнего потока теплоносителя.3 - input edge of the recess in the direction of movement of the external coolant flow.

4 - выходная кромка выемки по направлению движения внешнего потока теплоносителя.4 - output edge of the recess in the direction of movement of the external coolant flow.

5 - левая (по направлению движения внешнего потока теплоносителя) боковая стенка выемки, соединяющая ее входную и выходную кромки.5 - left (in the direction of movement of the external coolant flow) side wall of the recess connecting its input and output edges.

6 - правая (по направлению движения внешнего потока теплоносителя) боковая стенка выемки, соединяющая ее входную и выходную кромки.6 - the right (in the direction of movement of the external coolant flow) side wall of the recess connecting its input and output edges.

7 - входной диффузорный участок выемки в ее продольной плоскости симметрии.7 - input diffuser section of the recess in its longitudinal plane of symmetry.

8 - выходной конфузорный участок выемки в ее продольной плоскости симметрии.8 - output confuser section of the recess in its longitudinal plane of symmetry.

9 - часть внешнего потока теплоносителя, попадающего внутрь выемки и обтекающего поверхность входного диффузорного участка в направлении, совпадающим с направлением движения внешнего потока теплоносителя.9 - part of the external coolant flow falling into the recess and flowing around the surface of the inlet diffuser section in the direction coinciding with the direction of motion of the external coolant flow.

10 - «отрывной» поток, генерирующийся на входном участке и попадающий внутрь выемки на выходном участке.10 - “tear-off” flow generated in the inlet section and falling into the recess in the outlet section.

11 - спутный поток, формирующийся на выходном участке выемки, в направлении движения внешнего потока теплоносителя.11 - a satellite stream, which is formed at the output section of the recess, in the direction of movement of the external coolant flow.

12 - возвратный поток, формирующийся на выходном участке выемки в ее донной части, в направлении противоположном движению внешнего потока теплоносителя.12 - return flow, which is formed at the output section of the recess in its bottom part, in the direction opposite to the movement of the external coolant flow.

13 - СКВС, возникающая в области разрежения на стенке входного участка выемки и формирующая спутный поток, покидающий выемку в направлении движения внешнего потока теплоносителя.13 - SFCS that occurs in the rarefaction region on the wall of the inlet portion of the recess and forms a satellite stream leaving the recess in the direction of movement of the external coolant flow.

14 - донная часть выемки, образованная плавно соединяющимися входным 7 и выходным 8 участками.14 - bottom of the recess formed by smoothly connecting the input 7 and output 8 sections.

Б - область отрыва потока в области угловой точки между исходно гладкой поверхностью и входным участком выемки.B is the region of flow separation in the region of the corner point between the initially smooth surface and the inlet portion of the recess.

В - область присоединения части внешнего потока теплоносителя на выходном участке выемки, где формируется возвратное диффузорное течение.In - the area of joining part of the external flow of coolant at the output section of the recess, where the return diffuser flow is formed.

Г- эпицентр образования СКВС на дне выемки.G is the epicenter of the formation of SLE at the bottom of the notch.

L - длина выемки.L is the length of the recess.

h - максимальная глубина выемки.h is the maximum depth of the excavation.

Rвх - радиус входной кромки выемки.R I - the radius of the input edge of the recess.

Rвых - радиус выходной кромки выемки.R o - radius of the output edge of the recess.

α=30° - угол конфузорности выемки в плане по направлению движения внешнего потока теплоносителя.α = 30 ° - the confusion angle of the recess in the plan in the direction of motion of the external coolant flow.

β=30…45° - угол установки продольной плоскости симметрии выемки относительно направления движения внешнего потока теплоносителя.β = 30 ... 45 ° - the installation angle of the longitudinal plane of symmetry of the recess relative to the direction of motion of the external coolant flow.

γ=22° - угол наклона выходного участка в донной части выемки к направлению движения внешнего потока теплоносителя в продольной плоскости симметрии выемки.γ = 22 ° is the angle of inclination of the outlet section in the bottom of the recess to the direction of motion of the external coolant flow in the longitudinal plane of symmetry of the recess.

w0 - скорость внешнего потока теплоносителя.w 0 is the velocity of the external coolant flow.

Теплообменная поверхность работает следующим образом.The heat exchange surface operates as follows.

При подаче воздуха, другого газа или жидкости на теплообменную поверхность 1 (фиг. 1-3) матрицы, на которой расположены «отрывные» выемки 2 конфузорной формы в плане и имеющие переменную глубину и ширину происходят следующие гидродинамические процессы. Внешний поток теплоносителя движется вдоль матрицы с выемками 2 в направлении, указанном большими стрелками. Структура этого потока определяется формой выемок 2 и режимными условиями их обтекания.When air, other gas or liquid is supplied to the heat exchange surface 1 (Fig. 1-3) of the matrix, on which the "detachable" recesses 2 of confusor shape are located in plan and have a variable depth and width, the following hydrodynamic processes occur. The external coolant flow moves along the matrix with recesses 2 in the direction indicated by large arrows. The structure of this flow is determined by the shape of the recesses 2 and the operating conditions of their flow around.

Часть внешнего потока теплоносителя 9 (используется обозначение маленькими стрелками) поступает в выемку 2 (фиг. 3) через ее входную кромку 3 (фиг. 1, 2) и обтекает входной диффузорный участок 7 (фиг. 3), попадая в зону максимальной глубины выемки, подпитывая своей кинетической энергией СКВС 13 (фиг. 2, 3), возникающую в этой области.Part of the external coolant flow 9 (the designation is used by small arrows) enters the recess 2 (Fig. 3) through its inlet edge 3 (Fig. 1, 2) and flows around the inlet diffuser section 7 (Fig. 3), falling into the zone of maximum depth of the recess , fueling with its kinetic energy SKSV 13 (Fig. 2, 3), arising in this area.

Другая часть внешнего потока теплоносителя 10 (фиг. 3), попадая во входной диффузорный участок 7 непосредственно за линией входной кромки 3 (фиг. 1, 2), генерирует поток, область отрыва которого на фиг.2, 3 обозначена буквой (Б). Присоединение потока 10 происходит в области выходного участка 8 (фиг. 3) около выходной кромки 4 (фиг. 1, 2). Область присоединения потока 10 обозначена буквой (В).Another part of the external flow of the coolant 10 (Fig. 3), falling into the inlet diffuser section 7 immediately behind the line of the inlet edge 3 (Fig. 1, 2), generates a flow, the separation region of which in Figs. 2, 3 is indicated by the letter (B). The flow 10 is connected in the region of the outlet section 8 (Fig. 3) near the outlet edge 4 (Figs. 1, 2). The connection area of the stream 10 is indicated by the letter (B).

После присоединения поток 10 делится на две части. Одна его часть образует спутный поток 11 (фиг. 3), покидающий выемку 2 в направлении движения внешнего потока теплоносителя. Другая часть потока 10 разворачивается примерно на 180° и течет в обратном направлении вдоль левой боковой стенки 5 (фиг. 1, 2) выемки 2, формируя возвратный поток 12 (фиг. 2, 3). Известно (см. монографию «Конвективный теплообмен при струйном обтекании тел» / Е.П. Дыбан, А.И. Мазур. - Киев: Наукова думка, 1982. - 303 с), что на этом участке от области присоединения (В) по ходу возвратного течения вдоль левой боковой стенки 5 (фиг. 2) и выходного участка 8 (фиг. 3) выемки 2 значение скорости возвратного потока теплоносителя 12 при увеличении расстояния от области присоединения (В) сначала увеличивается, а потом уменьшается, что свойственно потокам и струям после присоединения к обтекаемой поверхности. В нашем случае снижение скорости возвратного течения обусловлено как релаксацией присоединяющегося к поверхности потока, так и диффузорной формой канала при возвратном течении потока 12.After joining, the stream 10 is divided into two parts. One part of it forms a satellite stream 11 (Fig. 3), leaving the recess 2 in the direction of movement of the external coolant flow. The other part of the stream 10 is rotated approximately 180 ° and flows in the opposite direction along the left side wall 5 (Fig. 1, 2) of the recess 2, forming a return flow 12 (Fig. 2, 3). It is known (see the monograph "Convective heat transfer in the jet flow around bodies" / EP Dyban, AI Mazur. - Kiev: Naukova Dumka, 1982. - 303 s) that in this section from the attachment area (B) along the return flow along the left side wall 5 (Fig. 2) and the outlet section 8 (Fig. 3) of the recess 2, the value of the rate of return of the coolant 12 increases with increasing distance from the attachment region (B) and then decreases, which is characteristic of flows and jets after attaching to a streamlined surface. In our case, the decrease in the velocity of the return flow is due to both the relaxation of the flow adhering to the surface and the diffuser shape of the channel during the return flow of the flow 12.

У донной поверхности 14 (см. фиг. 1, 2) выемки 2 возвратный поток 12 (см. фиг. 2, 3) направляется к эпицентру образования СКВС 13, обозначенному буквой (Г), где эти вихревые структуры 13 генерируются во времени непрерывно, что является принципиальным и важнейшим для достижения технического результата изобретения фактором, отличающим заявляемую схему выемки от прототипа, где эти СКВС образуются дискретно во времени, с чередующейся сменой местоположения эпицентров СКВС.At the bottom surface 14 (see Fig. 1, 2) of the recess 2, the return flow 12 (see Fig. 2, 3) is directed to the epicenter of the formation of SCWS 13, indicated by the letter (G), where these vortex structures 13 are continuously generated in time, which is fundamental and most important for achieving the technical result of the invention, a factor that distinguishes the claimed excavation scheme from the prototype, where these SKSV are formed discretely in time, with alternating changes in the location of the SPSS epicenters.

Как было отмечено выше, движение возвратного потока 12 (см. фиг. 2 и 3) происходит как вдоль левой боковой стенки 5, так и непосредственно вдоль донной части 14 выемки 2. Левая 5 и правая 6 боковые стенки формируют конфузорность выемки 2 в плане и расположены под углом α=30° друг к другу. Скругление выходной кромки (см. фиг. 2 и 3) радиусом Rвых=0,25Rвх способствует формированию возвратного потока 12. В этом случае СКВС 13 в процессе своего непрерывного функционирования охватывает практически всю площадь поверхности входного участка 7 выемки 2. Мощность и интенсивность этих СКВС 13 во многом определяется наличием микроотрывов и микропулсаций в пристенном слое возвратного потока 12 в выемке.As noted above, the movement of the return flow 12 (see Fig. 2 and 3) occurs both along the left side wall 5 and directly along the bottom 14 of the recess 2. The left 5 and right 6 side walls form the confusion of the recess 2 in plan and are located at an angle α = 30 ° to each other. Rounding off edges (see. Figs. 2 and 3) of radius R O = 0,25R Rin promotes the formation of the return stream 12. In this case SKVS 13 during its continuous operation covers almost the entire surface area of the inlet portion 7 of the recess 2. The power and intensity of these SKVS 13 is largely determined by the presence of micro-gaps and micropulsations in the near-wall layer of the return flow 12 in the recess.

В заявляемом изобретении для генерации этих пристенных возмущений предусмотрены диффузорная форма полости выемки 2 для возвратного потока 12 (см. фиг. 2, 3), образуемая боковыми левой 5 и правой 6 стенками и донной поверхностью 14, а также их вогнутой формой с радиусом кривизны R≈(4…6)Rвх. Значение радиуса кривизны R задано исходя из условия образования на боковых стенках 5 и 6 выемок 2 и их донной части 14 микровихрей Тэйлора-Гертлера, которые поглощаются СКВС и увеличивают их мощность и интенсивность теплообмена. Для этого выходной участок 8 выемки 2 в донной ее части наклонен под углом γ=22° к ее исходно гладкой поверхности 1. Асимметричное расположение эпицентра СКВС в точке «Г» на донной части 14 выемки 2 относительно продольной плоскости симметрии связано с асимметричностью расположения этой продольной плоскости симметрии выемки относительно внешнего потока, что приводит к возникновению сил инерции в возвратном течении, смещающих эпицентр СКВС в сторону от продольной плоскости симметрии выемки.In the claimed invention, to generate these wall disturbances, there is provided a diffuser shape of the cavity of the recess 2 for the return flow 12 (see Fig. 2, 3), formed by the lateral left 5 and right 6 walls and the bottom surface 14, as well as their concave shape with a radius of curvature R ≈ (4 ... 6) R in . The value of the radius of curvature R is set based on the conditions for the formation on the side walls 5 and 6 of the recesses 2 and their bottom part of 14 Taylor-Gertler microvortices, which are absorbed by SCRS and increase their power and heat transfer intensity. For this, the output section 8 of the recess 2 in its bottom part is inclined at an angle γ = 22 ° to its initially smooth surface 1. The asymmetric arrangement of the HSS epicenter at point “G” on the bottom part 14 of recess 2 relative to the longitudinal plane of symmetry is associated with the asymmetric arrangement of this longitudinal plane of symmetry of the recess relative to the external flow, which leads to the occurrence of inertia forces in the return flow, shifting the epicenter of the SCWS away from the longitudinal plane of symmetry of the recess.

Длина L предложенной «отрывной» конфузорной выемки 2 (фиг. 2, 3) выбрана исходя из результатов проведенных авторами экспериментов, на основе которых предопределено присоединение оторвавшегося на входном диффузорном участке 7 непосредственно за линией входной кромки 3 потока 10 теплоносителя в пределах выходного конфузорного участка 8 около выходной кромки 4 выемки 2. Этим же условиям удовлетворяют выбранные в продольной плоскости симметрии выемки 2 продольные размеры входного диффузорного 7 и выходного конфузорного 8 участков. Входной диффузорный участок 7 занимает 1/3 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой 3 выемки 2 по ее периметру радиусом Rвх=h, при этом отношение максимальной глубины выемки 2 к гидравлическому диаметру dг в плане h/dг на этом участке увеличивается от нуля до 0,44. Выходной конфузорный участок имеет протяженность, равную (2/3)L, соединен скруглением с выходной кромкой 4 выемки 2 по ее периметру радиусом Rвых=0,25Rвх, а величина h/dг на этом участке уменьшается от 0,44 до нуля.The length L of the proposed “tear-off” confuser recess 2 (Fig. 2, 3) is selected based on the results of the experiments performed by the authors, on the basis of which the connection of the coolant flow 10 separated off at the inlet diffuser section 7 immediately beyond the inlet edge line 3 within the outlet confuser section 8 near the outlet edge 4 of the recess 2. The longitudinal dimensions of the inlet diffuser 7 and the outlet confuser 8 sections selected in the longitudinal plane of symmetry of the recess 2 satisfy the same conditions. The inlet diffuser section 7 occupies 1/3 of the length of the recess L to its maximum depth h and is connected by rounding with the inlet edge 3 of the recess 2 along its perimeter with a radius R in = h, while the ratio of the maximum depth of the recess 2 to the hydraulic diameter d g in terms of h / d g in this area increases from zero to 0.44. Output convergent section has a length equal to (2/3) L, is coupled with rounding off edge 4 of the recess 2 along its perimeter radius R O = 0,25R Rin, and the value h / d z in this region is reduced from 0.44 down to zero .

Экспериментально было исследовано влияние величины угла Р (см. фиг. 2) установки продольной плоскости симметрии выемки относительно направления движения внешнего потока теплоносителя на процесс возникновения на входном участке 7 (см. фиг. 3) выемки 2 непрерывно действующей во времени СКВС 13. Опыты проводились при следующих значениях углов: β=0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 90°. Во всех случаях угол конфузорности выемки в плане по направлению движения основного потока теплоносителя оставался постоянным и составлял α=30°. Сравнительные эксперименты проводились при числе Рейнольдса, рассчитанном по гидравлическому диаметру dг выемки в плане: Red=w0ρdг/μ=2,7⋅104. Анализ результатов экспериментального исследования осуществлялся по величине коэффициента давления Ср, который определялся по формулеThe effect of the angle P (see Fig. 2) of the installation of the longitudinal plane of symmetry of the recess relative to the direction of movement of the external coolant flow on the process of occurrence in the inlet section 7 (see Fig. 3) of the recess 2 continuously operating in time of the HSS 13 was experimentally studied. The experiments were carried out with the following angles: β = 0 °, 15 °, 30 °, 45 °, 60 °, 90 °. In all cases, the confinement angle of the recess in the direction of the main coolant flow direction remained constant and amounted to α = 30 °. Comparative experiments were carried out with the Reynolds number calculated by the hydraulic diameter d g of the recess in the plan: Re d = w 0 ρd g / μ = 2.7⋅10 4 . The analysis of the results of the experimental study was carried out by the value of the pressure coefficient C p , which was determined by the formula

Сp=(pi-p0)/(ρ0w2 0)/2,With p = (p i -p 0 ) / (ρ 0 w 2 0 ) / 2,

где pi и р0 - статическое давление в i-й точке поверхности выемки и статическое давление перед выемкой; ρ0 и w0 - плотность и скорость внешнего потока теплоносителя. Результаты сравнительного анализа полученных опытных данных показали, что оптимальным углом установки выемки как с точки зрения генерации наиболее мощной СКВС и обеспечения более высокого разряжения в области ее эпицентра на поверхности входного участка у входной кромки, так и размещения зоны присоединения потока к донной поверхности выходного участка до выходной кромки, а также умеренного роста гидравлических потерь на диффузорных участках является угол β=30…45°. В этом случае коэффициент давления достигает значения Ср ≈ (- 0,4), что характеризует наиболее высокий уровень разрежения в области СКВС. Уменьшение угла установки продольной плоскости симметрии выемки от выбранного авторами изобретения рационального диапазона изменения значения 30°<β<45° до значения β=0° приводит к снижению мощности СКВС. В области же более высоких значений углов β относительно указанного выше диапазона выбранных значений β увеличивается гидравлическое сопротивление обтекания матрицы с предложенными авторами изобретения выемками.where p i and p 0 - static pressure at the i-th point of the surface of the recess and the static pressure before the recess; ρ 0 and w 0 are the density and velocity of the external coolant flow. The results of a comparative analysis of the obtained experimental data showed that the optimal angle of installation of the notch, both from the point of view of generating the most powerful SCRS and ensuring a higher vacuum in the region of its epicenter on the surface of the inlet section at the inlet edge, and in the placement of the zone of attachment of the flow to the bottom surface of the outlet section the output edge, as well as a moderate increase in hydraulic losses in the diffuser sections, is an angle β = 30 ... 45 °. In this case, the pressure coefficient reaches a value of C p ≈ (- 0.4), which characterizes the highest level of rarefaction in the area of SFC A decrease in the angle of installation of the longitudinal plane of symmetry of the notch from the rational range of variation of the value 30 ° <β <45 ° to the value β = 0 ° selected by the inventors leads to a decrease in the power of the HSS. In the region of higher values of the angles β relative to the above range of selected values of β, the hydraulic resistance of the flow around the matrix increases with the recesses proposed by the inventors.

Как показали эксперименты, проведенные авторами изобретения, при числе Рейнольдса Red<1,5⋅104 мощность СКВС, судя по значениям коэффициента давления Ср, снижается в несколько раз. Этот результат позволяет установить нижний предел числа Рейнольдса по применимости предлагаемого интенсификатора теплообмена. Верхний предел его использования в практически важном диапазоне эксплуатации в системах охлаждения двигателей и энергетических установок различного назначения не существует, поскольку примерно при Red>2⋅104 наступает автомодельный режим по числу Рейнольдса с его стабильными режимными параметрами и при более высоких значениях Re.As shown by the experiments conducted by the inventors, when the Reynolds number Re d <1.5⋅10 4, the power of the RCCS, judging by the values of the pressure coefficient C p , decreases several times. This result allows you to set the lower limit of the Reynolds number by the applicability of the proposed heat transfer intensifier. The upper limit of its use in the practically important range of operation in cooling systems for engines and power plants for various purposes does not exist, since at approximately Re d > 2⋅10 4 a self-similar regime occurs according to the Reynolds number with its stable operating parameters and at higher Re values.

Анализ гидродинамических экспериментов показал, что предлагаемое изобретение позволяет снизить по сравнению с ДДВ гидравлические потери примерно в 1,2…1,3 раза. Кроме этого, предлагаемое изобретение позволяет существенно повысить теплоотдачу в «отрывных» конфузорных выемках по сравнению со сферическими «отрывными» выемками, выбранными в качестве прототипа. Установленный факт высокого уровня разрежения на поверхности выемки в области эпицентра СКВС способствует генерации интенсивного массообмена между выемкой и обтекающим ее внешним потоком теплоносителя. Опыты показали (см. фиг. 4), что прирост теплоотдачи достигает примерно двукратного значения по сравнению с теплоотдачей на исходной гладкой пластине (на графике величина этой теплоотдачи принята за 1) с учетом увеличения площади теплообмена при одинаковых входных условиях и числах Рейнольдса. Отметим, что при обтекании «отрывных» сферических выемок при прочих равных условиях этот прирост составляет 2…2,3 раза, а в ДДВ - 3,5…3,8 раза. То, что прирост теплоотдачи в «отрывной» конфузорной выемке несколько меньше, чем в ДДВ, что свидетельствует о том, что основным фактором интенсивного массообмена и конвективного теплообмена в таких выемках является СКВС. Ведь доля площади поверхности, занимаемая СКВС в ДДВ несколько выше, чем в «отрывной» конфузорной выемке.Analysis of hydrodynamic experiments showed that the present invention can reduce hydraulic losses by about 1.2 ... 1.3 times compared with DDV. In addition, the present invention allows to significantly increase heat transfer in the "tear-off" confuser recesses in comparison with the spherical "tear-off" recesses selected as a prototype. The established fact of a high level of rarefaction on the surface of the recess in the region of the epicenter of the SCWS contributes to the generation of intense mass transfer between the recess and the external coolant flowing around it. The experiments showed (see Fig. 4) that the increase in heat transfer reaches about two times the value in comparison with the heat transfer on the initial smooth plate (on the graph, the value of this heat transfer is taken as 1) taking into account the increase in the heat transfer area under the same input conditions and Reynolds numbers. Note that when flowing around “tear-off” spherical recesses, ceteris paribus, this increase is 2 ... 2.3 times, and in DDV - 3.5 ... 3.8 times. The fact that the increase in heat transfer in the “tear-off” confuser recess is somewhat less than in the DDW, which indicates that the main factor in intensive mass transfer and convective heat transfer in such recesses is the SCR. After all, the proportion of surface area occupied by the HSS in the DDV is slightly higher than in the “tear-off” confuser recess.

Отсюда следует вывод о том, что не следует удлинять исследованные нами образцы «отрывных» конфузорных выемок, поскольку теплоотдача при этом только уменьшится. Получается, что кроме всего прочего, предлагаемое изобретение помогает решить одну из важнейших задач совершенствования пристенных интенсификаторов теплообмена - увеличить вклад СКВС в общий прирост теплоотдачи на обтекаемой поверхности с выемками.This leads to the conclusion that we should not extend the samples of “tear-off” confuser cavities that we studied, since the heat transfer in this case will only decrease. It turns out that, among other things, the present invention helps to solve one of the most important tasks of improving wall-mounted heat transfer intensifiers - to increase the contribution of SCWS to the overall increase in heat transfer on a streamlined surface with recesses.

Таким образом, изобретение позволяет повысить теплоотдачу по сравнению с традиционными «отрывными» сферическими выемками, используя ту же технологию изготовления, которая отработана в производстве и не представляет больших затруднений, например, штамповка, фрезеровка, сверление - для теплообменников, или литье по выплавляемым моделям - для турбинных лопаток промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей. При этом прирост теплоотдачи в «отрывных» конфузорных выемках незначительно уступает ДДВ, выбранных в качестве аналога, технология изготовления которых существенно более сложная по сравнению с известными и более дешевыми технологическими процессами по причине обязательного наличия ребра-разделителя полостей. В то же время, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить гидравлические потери по сравнению с этим аналогом - теплообменной поверхностью с ДДВ, что особенно актуально в настоящее время при разработке современных вихревых генераторов, к которым предъявляется важное требование повышения теплоотдачи при меньших гидравлических потерях. Что касается прототипа, то при практически одинаковой по сложности технологии изготовления, заявляемый вариант «отрывной» конфузорной выемки примерно в полтора раза превышает уровень интенсификации теплообмена на поверхности с «отрывными» сферическими выемками при прочих равных условиях. Увеличение мощности теплового потока в выемке с меньшими гидравлическими потерями позволяет создавать компактные, энергоэффективные, более технологичные в производстве, а, следовательно, и более дешевые теплообменные поверхности конструктивных элементов в различных теплообменных аппаратах, промышленных газотурбинных энергоустановках и авиационных двигателях.Thus, the invention allows to increase heat transfer compared to traditional "tear-off" spherical recesses, using the same manufacturing technology that has been worked out in production and does not present any major difficulties, for example, stamping, milling, drilling for heat exchangers, or investment casting - for turbine blades of industrial gas turbine power plants and aircraft engines. At the same time, the increase in heat transfer in the “tear-off” confuser cavities is slightly inferior to the DDV selected as an analogue, the manufacturing technology of which is significantly more complicated compared to the known and cheaper technological processes due to the mandatory presence of a cavity separator rib. At the same time, the present invention allows to reduce hydraulic losses in comparison with this analogue - heat exchange surface with DDV, which is especially relevant at the present time in the development of modern vortex generators, which have an important requirement to increase heat transfer with lower hydraulic losses. As for the prototype, with almost the same manufacturing technology in complexity, the claimed version of the “tear-off” confuser recess is about one and a half times higher than the level of heat transfer intensification on the surface with “tear-off” spherical recesses, ceteris paribus. An increase in the heat flux power in a recess with less hydraulic losses allows creating compact, energy efficient, more technological in production, and, consequently, cheaper heat transfer surfaces of structural elements in various heat exchangers, industrial gas turbine power plants and aircraft engines.

Claims (5)

1. Теплообменная поверхность, содержащая «отрывные» выемки с переменной глубиной и шириной, каждая из которых в их продольной плоскости симметрии, в направлении движения внешнего потока теплоносителя, выполнена из двух плавно соединяющихся в донной части входного диффузорного и выходного конфузорного участков, отличающаяся тем, что выемки в плане выполнены конфузорной формы от их входных до выходных кромок, соединенных боковыми стенками, при этом продольная плоскость симметрии выемок повернута на угол β=30°…45° относительно направления движения вышеупомянутого внешнего потока теплоносителя.1. A heat exchange surface containing "tear-off" recesses with a variable depth and width, each of which in their longitudinal plane of symmetry, in the direction of movement of the external coolant flow, is made of two smoothly connected in the bottom of the inlet diffuser and outlet confuser sections, characterized in that that the recesses in the plan are made in confuser shape from their inlet to outlet edges connected by the side walls, while the longitudinal plane of symmetry of the recesses is rotated through an angle β = 30 ° ... 45 ° relative to the direction movement of the aforementioned external coolant flow. 2. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что входной диффузорный участок занимает 1/3 длины выемки L до ее максимальной глубины h и соединен скруглением с входной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвх=h, при этом отношение максимальной глубины выемки к гидравлическому диаметру dг в плане h/dг на этом участке увеличивается от нуля до 0,44, выходной конфузорный участок имеет протяженность, равную (2/3)L, соединен скруглением с выходной кромкой выемки по ее периметру радиусом Rвых=0,25Rвх, а величина h/dг на этом участке уменьшается от 0,44 до нуля.2. The heat exchange surface according to Claim. 1, characterized in that the inlet diffuser portion occupies 1/3 of the length L of the recess to its maximum depth h and is connected with the inlet edge rounding of the recess around its perimeter Rin radius R = h, wherein the ratio of the maximum depth of recesses to the hydraulic diameter d g in terms of h / d g in this section increases from zero to 0.44, the output confuser section has a length equal to (2/3) L, is connected by a rounding with the outlet edge of the recess along its perimeter with a radius R o = 0 , 25R in , and the value of h / d g in this area decreases from 0.44 to zero. 3. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что выходной конфузорный участок выемки в донной части наклонен под углом γ=22° к ее исходно гладкой поверхности.3. The heat exchange surface according to claim 1, characterized in that the outlet confuser portion of the recess in the bottom is inclined at an angle γ = 22 ° to its initially smooth surface. 4. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что угол конфузорности между боковыми стенками выемок в направлении от входной к выходной кромкам составляет α=30°.4. The heat exchange surface according to claim 1, characterized in that the angle of confusion between the side walls of the recesses in the direction from the inlet to the outlet edges is α = 30 °. 5. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что боковые стенки выемок и соединяющая их донная часть выполнены вогнутыми с радиусом кривизны R≈(4…6)Rвх.5. The heat exchange surface according to claim 1, characterized in that the side walls of the recesses and the bottom part connecting them are made concave with a radius of curvature R≈ (4 ... 6) R in .
RU2018107160A 2018-02-26 2018-02-26 Heat exchanging surface RU2675733C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018107160A RU2675733C1 (en) 2018-02-26 2018-02-26 Heat exchanging surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018107160A RU2675733C1 (en) 2018-02-26 2018-02-26 Heat exchanging surface

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2675733C1 true RU2675733C1 (en) 2018-12-24

Family

ID=64753768

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018107160A RU2675733C1 (en) 2018-02-26 2018-02-26 Heat exchanging surface

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2675733C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716958C1 (en) * 2019-07-26 2020-03-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ) Heat exchange surface
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

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2020304C1 (en) * 1992-03-31 1994-09-30 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Streamlined surface for forming dynamic vortex structures in boundary and wall layers of solid media flows
RU2425260C2 (en) * 2006-08-31 2011-07-27 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Surface of body for reduction of friction and surface of body for intensification of heat exchange
US20130299036A1 (en) * 2012-05-13 2013-11-14 Ronald Lee Loveday Conduit for improved fluid flow and heat transfer
RU2569540C1 (en) * 2014-05-21 2015-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Heat exchange surface (versions)

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2020304C1 (en) * 1992-03-31 1994-09-30 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Streamlined surface for forming dynamic vortex structures in boundary and wall layers of solid media flows
RU2425260C2 (en) * 2006-08-31 2011-07-27 Геннадий Ираклиевич Кикнадзе Surface of body for reduction of friction and surface of body for intensification of heat exchange
US20130299036A1 (en) * 2012-05-13 2013-11-14 Ronald Lee Loveday Conduit for improved fluid flow and heat transfer
RU2569540C1 (en) * 2014-05-21 2015-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Heat exchange surface (versions)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716958C1 (en) * 2019-07-26 2020-03-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ) Heat exchange surface
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
RU2807858C1 (en) * 2023-03-30 2023-11-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Heat exchange surface for intensification of heat transfer of turbulent heat-transfer medium flow

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tang et al. A new configuration of winglet longitudinal vortex generator to enhance heat transfer in a rectangular channel
Gutmark et al. Mixing enhancement in supersonic free shear flows
Dai et al. Numerical study on film cooling effectiveness from shaped and crescent holes
RU2675733C1 (en) Heat exchanging surface
Isaev Genesis of anomalous intensification of separation flow and heat transfer in inclined grooves on structured surfaces
US5005356A (en) Torque converter utilizing streamwise vorticity
Bloxham et al. Combined blowing and suction to control both midspan and endwall losses in a turbomachinery passage
RU2716958C1 (en) Heat exchange surface
Jedsadaratanachai et al. Thermal Performance Assessment in a Circular Tube Fitted with Various Sizes of Modified V-baffle: A Numerical Investigation
Kumar et al. Proper orthogonal decomposition of turbulent swirling flow of a draft tube at part load
Pamart et al. Large Eddy Simulation study of synthetic jet frequency and amplitude effects on a rounded step separated flow
Bhave et al. Computational study of enhanced convection and effects of geometrical features in offset strip fin cores
Deng et al. Systematical numerical investigations on heat transfer performance of latticework channel
Ranaware et al. A Study of Heat Transfer Enhancement using V Shaped Dimples on a Flat Plate with Experimentation & CFD
Ramanathan et al. A new method of enhancing heat transfer in sudden expansion channel using vortex generators with toe-out and toe-in configurations by acquiring perquisites of recirculation and secondary vortex flow
Raaj Khishorre et al. A critical review of the thermo-hydraulic performance of vortex generators using the field synergy and exergy principles
Biswas et al. Longitudinal vortex generators for enhancement of heat transfer in heat exchanger applications
Jedsadaratanachai et al. Influences of the wavy surface inserted in the middle of a circular tube heat exchanger on thermal performance
Leont’Ev et al. Analyzing the effectiveness of wall flow swirlers
Yadav et al. Effect of artificial roughness on heat transfer and friction factor in a solar air heater: A review
Dinh et al. Heat Transfer Performance of Internal Cooling Turbine Blades Using Cutted-Root Rib Design
RU131416U1 (en) COOLED GAS TURBINE SHOVEL
RU166684U1 (en) HEAT EXCHANGE SURFACE
RU2751425C1 (en) Heat exchange surface
Buchanan et al. Investigation into the feasibility of using turbulators in liquid rocket combustion chamber cooling channels using a conjugate heat transfer analysis

Legal Events

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

Effective date: 20210227