RU2751425C1 - Теплообменная поверхность - Google Patents
Теплообменная поверхность Download PDFInfo
- Publication number
- RU2751425C1 RU2751425C1 RU2020140338A RU2020140338A RU2751425C1 RU 2751425 C1 RU2751425 C1 RU 2751425C1 RU 2020140338 A RU2020140338 A RU 2020140338A RU 2020140338 A RU2020140338 A RU 2020140338A RU 2751425 C1 RU2751425 C1 RU 2751425C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shaped
- holes
- heat
- heat exchange
- exchange surface
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
- F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
- F28F3/042—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
- F28F3/044—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element the deformations being pontual, e.g. dimples
Abstract
Изобретение относится к области теплоэнергетики: к теплообменникам, системам охлаждения турбинных лопаток промышленных газотурбинных установок (ГТУ) и авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Теплообменная поверхность, имеющая на поверхности выемки с переменной глубиной и шириной, в каждой из которых выполнено ребро, расположенное вдоль основного потока и образующее две диффузорные полости, в качестве выемок используются двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними, включающие в себя V-образные лунки с ветвями, расположенными под углом 90° друг к другу, заглубленные на половину диаметра лунок D, к каждой из лунок добавлена вторая лунка и V-образный полусферический выступ высотой 0,5D, разделяющий эти лунки, угол между осью симметрии лунок и прямой, проходящей через вершины ветвей лунок и выступа, составляет 60 градусов, двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними расположены с шагом 5,5D в продольном направлении и 8,75D в поперечном. Технический результат - увеличение теплоотдачи от теплообменной поверхности, повышение эффективности охлаждения теплонапряженных элементов, увеличение ресурса их работы, упрощение технологии изготовления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к области теплоэнергетики: к теплообменникам, системам охлаждения турбинных лопаток промышленных газотурбинных установок (ГТУ) и авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).
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»: Автореферат дис.д-ра техн. наук. - Казань: КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева, 2017. - 65 с. Проведенные в работе испытания элементов кожухотрубных теплообменников 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 верхней и нижней части овально-траншейной выемки при увеличении в полтора раза абсолютной величины относительного трения.
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 с недостаточной интенсификацией теплообмена.
Известна теплообменная поверхность с симметрично расположенными относительно ее продольной плоскости симметрии двухполостными диффузорными выемками (ДДВ) патент №2569540 РФ, МПК F28F 3/00; F15D 1/10; опубл. 27.11.2015, она является наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению и принята за прототип. 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 и образующее в возвратном течении две диффузорные полости внутри этой выемки, симметрично расположенные относительно ее ребра. При обтекании выемки потоком в каждой из ее двух полостей происходит непрерывная во времени самоорганизация крупномасштабных вихревых структур.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую технологичность изготовления таких выемок на теплообменной поверхности, особенно ребер. Кроме того, наличие ребра, обтекаемого высокотемпературным потоком, может привести к возникновению повышенных температурных напряжений в этой зоне и к его тепловой деформации.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении теплоотдачи от теплообменной поверхности, в повышении эффективности охлаждения теплонапряженных элементов, в увеличении ресурса их работы, в упрощении технологии изготовления и снижении затрат в процессе производства.
Технический результат достигается тем, что теплообменная поверхность имеет на поверхности выемки с переменной глубиной и шириной, в каждой из которых выполнено ребро, расположенное вдоль основного потока и образующее две диффузорные полости, в качестве выемок используются двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними, включающие в себя V-образных лунки с ветвями, расположенными под углом 90° друг к другу, заглубленные на половину диаметра лунок D, к каждой из лунок добавлена вторая лунка и V-образный полусферический выступ высотой 0,5D, разделяющий эти лунки, угол между осью симметрии лунок и прямой, проходящей через вершины ветвей лунок и выступа, составляет 60 градусов, двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними расположены с шагом 5,5D в продольном направлении и 8,75D в поперечном.
Двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними (ДVЛVПВ) могут быть выполнены на теплообменной поверхности в шахматном порядке.
Предложенное изобретение представлено на фиг.1-4, где:
Фиг. 1 - Схема лунок с выступом, вид сверху;
Фиг. 2 - Схема лунок с выступом, сечение А-А;
Фиг. 3 - линии тока воздуха в области ДVЛVПВ на теплообменной поверхности, вид сверху;
Фиг. 4 - линии тока воздуха в области ДVЛVПВ на теплообменной поверхности, вид в изометрии.
На фиг.3 и 4 стрелками показано направление движения, как внешнего потока теплоносителя, так и потока теплоносителя, попадающего внутрь лунок и в области над полусферическими выступами.
Где:
1 - теплообменная поверхность.
2 - первая V-образная лунка.
3 - V-образный полусферический выступ.
4 - вторая V-образная лунка.
5 - ветви первой V-образной лунки.
6 - ветви второй V-образной лунки.
α=90° - угол между левыми и правыми ветвями двух V-образных лунок и V-образного полусферического выступа.
γ=60° - угол между осью симметрии лунок и прямой, проходящей через вершины ветвей лунок и выступа.
D - диаметр V-образных лунок.
R1, - радиус V-образных лунок,
R2 - радиус V-образного полусферического выступа.
r - радиус скругления кромок лунок и выступа.
По результатам 3D тепловых расчетов в качестве оптимальных геометрических характеристик, при которых достигается наибольшая эффективность охлаждения теплообменной поверхности, выбраны двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними с относительной глубиной лунок и высотой полусферического выступа - 0,5D, ветви которых расположены под углом 90° друг к другу, а угол между осью симметрии лунок и прямой, проходящей через вершины ветвей лунок и выступа равен 60°. V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними расположены с шагом 5,5D в продольном направлении и 8,75D в поперечном направлении.
Радиус V-образных лунок R1 равен радиусу V-образного полусферического выступа R2 и составляет из условия технологических и прочностных ограничений для наиболее термонагруженных деталей - лопаток турбин - 0,5D при радиусе скругления кромок лунок и выступа r=0,125D.
В связи с тем, что в некоторых конструкциях, например, низконапорных охлаждаемых лопатках турбин ГТД, ГТУ требуется получить минимальные гидравлические потери и при этом не требуется высокая эффективность охлаждения (интенсификация теплообмена) по сравнению с коридорным расположением ДVЛVПВ друг за другом, двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними могут быть выполнены на теплообменной поверхности в шахматном порядке.
Теплообменная поверхность работает следующим образом.
При подаче воздуха, другого газа или жидкости на теплообменную поверхность 1 (фиг.1 и 3), на которой расположены ДVЛVПВ происходят следующие гидродинамические процессы. Поток теплоносителя движется вдоль поверхности с ДVЛVПВ в направлении, указанном стрелками. Структура этого потока определяется формой ДVЛVПВ и режимными условиями их обтекания. (На фиг.3 и 4 стрелками показаны линии тока воздуха).
Часть потока теплоносителя поступает в ДVЛVПВ через ее входную кромку и попадает в первую V-образную лунку 2 (фиг.1-3), создавая самоорганизующуюся крупномасштабную вихревую структуру (СКВС) в этой области (фиг.3 и 4). Далее часть этого воздуха обтекает V-образный полусферический выступ 3, и попадает во вторую V-образную лунку 4, значительно увеличивая интенсивность СКВС во второй лунке по сравнению с первой.
Другая часть воздуха выходит из ветвей 5 и 6 первой и второй V-образных лунок (фиг.1) в пространство между ДVЛVПВ, несколько снижая интенсивность теплообмена в этом пространстве.
Вихри вращаются в противоположных направлениях в левой и правой ветвях 5 и 6 первой и второй лунок и затягивают основной поток внутрь лунок, вызывая повторное присоединение течения к внутренней поверхности лунки. Увеличение длины ветвей V-образных лунок по сравнению с обычными полусферическими лунками является характерной особенностью, позволяющей уменьшить угол, под которым поток теплоносителя выходит из ветвей лунок, что позволяет потоку на более близком расстоянии по сравнению с обычными лунками повторно присоединиться к теплообменной поверхности и интенсифицировать теплообмен непосредственно за ДVЛVПВ.
При этом наиболее низкая температура теплообменной поверхности получена на поверхности V-образного полусферического выступа 3 (фиг.1-3). Установлено, что за последней из двух V-образных лунок 4 образуется зона повышенной интенсификации теплоотдачи, связанная с образованием дополнительной вихревой структуры (фиг.4), генерируемой непрерывно во времени, что является принципиальным и важнейшим для достижения технического результата изобретения фактором, отличающим заявляемую схему ДVЛVПВ от прототипа. Мощность и интенсивность этих вихревых структур во многом определяется наличием микроотрывов и микропульсаций воздуха в пристенном слое возвратного потока в лунках (фиг.4). При этом зоны повышенной интенсификации теплоотдачи и теплопроизводительности за ДVЛVПВ увеличиваются по мере продвижения вдоль теплообменной поверхности. ДVЛVПВ позволяют создавать более равномерную вихревую структуру в области между ними, используя в ДVЛVПВ конфузорно-диффузорный эффект при переходе теплоносителя из лунки 2 в область над полусферическим выступом 3 и далее вновь - в лунку 4.
По мере продвижения теплоносителя вдоль теплообменной поверхности увеличивается высота вихревых структур, и их поверхность, при этом вихри становятся более плотными.
Таким образом, изобретение позволяет повысить теплоотдачу по сравнению с традиционными полусферическими выемками и V-образными лунками, используя ту же технологию изготовления, которая отработана в производстве и не представляет больших затруднений, например, штамповка, в сочетании с фрезеровкой - для теплообменников, или литье по выплавляемым моделям - для турбинных лопаток промышленных газотурбинных энергоустановок и авиационных двигателей. При этом прирост теплоотдачи в ДVЛVПВ существенно выше ДДВ, выбранных в качестве прототипа, технология изготовления которых значительно более сложна по сравнению с известными и более дешевыми технологическими процессами по причине обязательного наличия ребра-разделителя полостей. При практически одинаковой по сложности технологии изготовления, заявляемые ДVЛVПВ при числе Рейнольдса Red=30000 и при прочих равных условиях примерно на 40% превышает уровень интенсификации теплообмена на поверхности с V-образными лунками и на 36% - уровень теплопроизводительности. Увеличение мощности теплового потока в ДVЛVПВ с большей теплопроизводительностью 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.
С наибольшим эффектом данное изобретение может быть применимо в теплообменниках, системах охлаждения турбинных лопаток промышленных ГТУ и авиационных ГТД, в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) атомных реакторов.
Claims (2)
1. Теплообменная поверхность, имеющая на поверхности выемки с переменной глубиной и шириной, в каждой из которых выполнено ребро, расположенное вдоль основного потока и образующее две диффузорные полости, отличающаяся тем, что в качестве выемок используются двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними, включающие в себя V-образные лунки с ветвями, расположенными под углом 90° друг к другу, заглубленные на половину диаметра лунок D, к каждой из лунок добавлена вторая лунка и V-образный полусферический выступ высотой 0,5D, разделяющий эти лунки, угол между осью симметрии лунок и прямой, проходящей через вершины ветвей лунок и выступа, составляет 60 градусов, двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними расположены с шагом 5,5D в продольном направлении и 8,75D в поперечном.
2. Теплообменная поверхность по п. 1, отличающаяся тем, что двойные V-образные лунки с V-образным полусферическим выступом между ними выполнены на теплообменной поверхности в шахматном порядке.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020140338A RU2751425C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Теплообменная поверхность |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020140338A RU2751425C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Теплообменная поверхность |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2751425C1 true RU2751425C1 (ru) | 2021-07-13 |
Family
ID=77020010
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020140338A RU2751425C1 (ru) | 2020-12-08 | 2020-12-08 | Теплообменная поверхность |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2751425C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2807858C1 (ru) * | 2023-03-30 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2105260C1 (ru) * | 1995-12-21 | 1998-02-20 | Николай Карпович Пушняков | Теплообменная труба |
US6510870B1 (en) * | 1999-06-18 | 2003-01-28 | Valeo Engine Cooling Ab | Fluid conveying tube as well as method and device for manufacturing the same |
RU2445564C1 (ru) * | 2008-03-13 | 2012-03-20 | Данфосс А/С | Теплообменник с двойной пластиной |
US20130299036A1 (en) * | 2012-05-13 | 2013-11-14 | Ronald Lee Loveday | Conduit for improved fluid flow and heat transfer |
RU2569540C1 (ru) * | 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) | Теплообменная поверхность (варианты) |
RU2716958C1 (ru) * | 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) | Теплообменная поверхность |
-
2020
- 2020-12-08 RU RU2020140338A patent/RU2751425C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2105260C1 (ru) * | 1995-12-21 | 1998-02-20 | Николай Карпович Пушняков | Теплообменная труба |
US6510870B1 (en) * | 1999-06-18 | 2003-01-28 | Valeo Engine Cooling Ab | Fluid conveying tube as well as method and device for manufacturing the same |
RU2445564C1 (ru) * | 2008-03-13 | 2012-03-20 | Данфосс А/С | Теплообменник с двойной пластиной |
US20130299036A1 (en) * | 2012-05-13 | 2013-11-14 | Ronald Lee Loveday | Conduit for improved fluid flow and heat transfer |
RU2569540C1 (ru) * | 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) | Теплообменная поверхность (варианты) |
RU2716958C1 (ru) * | 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) | Теплообменная поверхность |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2807858C1 (ru) * | 2023-03-30 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6657199B2 (ja) | マルチブランチ分岐流熱交換器 | |
US9905319B2 (en) | Plate heat exchanger for homogeneous fluid flows between ducts | |
US3205147A (en) | Process and devices of heat exchange and nuclear reactor embodying same | |
CN111059929A (zh) | 一种新型翅片结构的微通道换热器 | |
SU960522A2 (ru) | Трубчато-пластинчатый теплообменник | |
CN112746870A (zh) | 一种间断的波浪肋冷却结构 | |
CN104197771A (zh) | 一种用于热交换器板束气体入口的均流结构 | |
CN203633055U (zh) | 一种具有新型换热结构及自适应特性的热沉散热装置 | |
Isaev et al. | Intensification of heat exchange in laminar vortex air flow in a narrow channel with a row of inclined oval trenches | |
RU2751425C1 (ru) | Теплообменная поверхность | |
US20170030660A1 (en) | Heat-exchanger module with improved heat exchange and compactness, use with liquid metal and gas | |
CN115183609A (zh) | 换热器芯体及包括其的印刷电路板式换热器 | |
Isaev | Genesis of anomalous intensification of separation flow and heat transfer in inclined grooves on structured surfaces | |
Moisseytsev et al. | Heat exchanger options for dry air cooling for the sco2 brayton cycle | |
CN215832535U (zh) | 一种混合肋排换热器芯体及换热器 | |
RU2675733C1 (ru) | Теплообменная поверхность | |
CN113028863B (zh) | J型折流板换热器 | |
CN109556441B (zh) | 异形板翅式冷却器 | |
RU2319842C2 (ru) | Система охлаждения лопатки газовой турбины | |
CN107191230B (zh) | 一种叶片冷却微通道结构 | |
CN212658118U (zh) | 翅片换热器 | |
RU2534396C1 (ru) | Теплообменник и вытеснитель используемый в нем | |
RU166684U1 (ru) | Теплообменная поверхность | |
JP2012189085A (ja) | 高温部品の内面冷却構造 | |
RU2807858C1 (ru) | Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя |