RU2768667C1 - Теплообменная поверхность - Google Patents
Теплообменная поверхность Download PDFInfo
- Publication number
- RU2768667C1 RU2768667C1 RU2021115548A RU2021115548A RU2768667C1 RU 2768667 C1 RU2768667 C1 RU 2768667C1 RU 2021115548 A RU2021115548 A RU 2021115548A RU 2021115548 A RU2021115548 A RU 2021115548A RU 2768667 C1 RU2768667 C1 RU 2768667C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- recess
- length
- heat exchange
- segment
- flow
- 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
- 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 теплотехники и может быть применено в теплообменных аппаратах, использующихся в различных отраслях народного хозяйства. Изобретение заключается в выполнении теплообменной поверхности для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя в виде периодически нанесенных углублений, которые выполнены в форме бумеранга, состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрическим торообразным сегментом длиной l=l1+l2 таким образом, чтобы реализовывалось условие, что касательная к сегменту длиной l1 составляла угол =45° по отношению к направлению потока в начале углубления и угол 0° к сегменту углубления длиной l2. Технический результат - увеличение тепловой и теплогидравлической эффективности теплообменной поверхности. 5 ил.
Description
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в теплообменных аппаратах.
Известна поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена [Поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена / Кикнадзе Г.И., Гачечиладзе И.А. // Патент РФ №2425260. Заявка 2009111020/06 от, 31.08.2006. Опубликовано 27.07.2011 Бюл. №21]. Поверхность характеризуется тем, что на гладкой поверхности с защитным слоем или без него выполнены углубления, образованные сопряженными по общим касательным выпуклыми и вогнутыми поверхностями второго порядка, при этом сопряжение углубления с исходно гладкой поверхностью осуществляется с помощью выпуклых поверхностей образующих скаты, для которых в местах сопряжения исходно гладкая поверхность является касательной, причем вогнутая поверхность, образующая донную часть углубления, выполнена гладкой или с обтекателем.
Недостатком теплообменной поверхности является низкая тепловая и теплогидравлическая эффективность и высокие потери энергии потока на трение.
Известна теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных углублений, отличающаяся тем, что углубления выполнены овально-траншейной формы [Патент РФ №2684303. МПК F28F 3/04 . Заявка 2018121892, 13.06.2018. Опубликовано: 05.04.2019 Бюл. №10], состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрической вставкой длиной l, развернутых под углом ϕ к набегающему потоку, с геометрическими соотношениями: l/b=4,7-5,78 или lк/b=5,57-6,78; ϕ=45°; h/b=0,18-0,37; r=0,025b, где - длина цилиндрической части углубления, мм; - длина углубления, мм; - глубина, мм; b - ширина углубления, мм; r - радиус скругления кромок углубления, мм; ϕ - угол натекания потока на углубление, градусы.
Недостатком теплообменной поверхности является недостаточные тепловая и теплогидравлическая эффективности.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных углублений, отличающаяся тем, что углубления выполнены овально-дуговой формы [Патент РФ № 2716958, МПК F28F 3/04. 17.03.2020. Заявка: 2019124260, 26.07.2019. 17.03.2020 Бюл. №8], состоящей из двух половинок сферической выемки диаметром b, соединенных цилиндрическим торообразным сегментом длиной l таким образом, чтобы бы реализовывалось условие, что касательная к данному сегменту составляла угол ϕ=45° по отношению к направлению потока в начале углубления и угол ϕ=0° в конце углубления с геометрическими соотношениями: l/b=4,7-5,78 или lк/b=5,57-6,78; h/b=0,18-0,37; r=0,025b, где - длина цилиндрической части углубления, мм; - длина углубления, мм; - глубина, мм; b - ширина углубления, мм; r - радиус скругления кромок углубления, мм; ϕ - угол натекания потока на углубление, градусы.
Недостатком теплообменной поверхности является недостаточная теплогидравлическая эффективность.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание теплообменной поверхности с повышенной теплогидравлической эффективностью.
Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в увеличении тепловой и теплогидравлической эффективности теплообменной поверхности.
Технический результат достигается за счет того, что теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя выполнена в виде периодически нанесенных углублений. Новым является то, что углубления выполнены в форме бумеранга, состоящего из двух половинок сферической выемки радиусом R, соединенных цилиндрическими сегментами длиной l=l1+l2 шириной b таким образом, чтобы бы реализовывалось условие, что ось сегмента длиной l1 составляла угол ϕ=45° по отношению к направлению потока в начале углубления и угол 0° к оси сегмента углубления длиной l2 (фиг.1), с геометрическими соотношениями:
относительной глубиной l/b=4,7-5,78 или lк/b=5,57-6,78,
относительной глубиной h/b=0,18-0,37;
соотношение длин l2/l1=0,5-0,6;
радиус скругления кромок r=0,025b;
b=2R - ширина углубления, мм;
r - радиус скругления кромок углубления, мм;
ϕ - угол натекания потока на сегмент углубления длиной l1, градусы.
Данная форма теплообменной поверхности позволяет стабильность и интенсивность вихревого течения в углублении и тем самым увеличить тепловую и теплогидравлическую эффективность теплообменной поверхности в целом.
На фигуре 1 представлен вид сверху предлагаемой теплообменной поверхности с указанием условных обозначений геометрических размеров и направления течения потока относительно теплообменной геометрии.
На фигуре 2 представлен поперечный разрез в сечении А-А геометрии предлагаемой теплообменной поверхности с указанием условных обозначений геометрических размеров.
На фигуре 3 представлены распределения давления на поверхности с одиночным углублением в форме бумеранга при соотношение длин l2/l1 от 0 до 1,0.
На фигуре 4 представлены распределения чисел Нуссельта на поверхности с одиночным углублением в форме бумеранга при соотношение длин l2/l1 от 0 до 1,0.
На фигуре 5 представлен график изменения тепловой эффективности Nu/Nu0, прироста гидавлического сопротивления ξ/ξ0 и теплогидравлической эффективности E=(Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)0,3 от соотношение длин l2/l1.
Данная геометрия углублений является поверхностным генератором спиралевидных высокоинтенсивных моновихрей в углублении и позволяет повысить скорость вторичного течения в нем до величин порядка характерной скорости потока в стесненном канале (среднемассовой или максимальной), что в несколько раз превышает скорости вторичного течения, индуцированные традиционными сферическими и овальными выемками, и отличается высокой стабильностью и интенсивностью вихревого течения в концевой части углубления по сравнению с аналогами в виде овальных, овально-траншейных и овально-дуговых углублений различного удлинения, обеспечивая значительное превосходство углублений в форме бумеранга по тепловой и теплогидравлической эффективности.
Сравнительный анализ теплообменных поверхностей с предлагаемой формой интенсификатора теплообмена в форме бумеранга проводился на основе численного моделирования по методологии [Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. Многоблочные вычислительные технологии в пакете VP2/3 по аэротермодинамике. Саарбрюкен: LAP LAMBERT Academic Publishing. 2013. 316 с.], прошла многочисленные апробации и верификации, реализована в программном комплексе "VP2/3 Thermophysics" [Программный комплекс "VP2/3 Thermophysics" для численного моделирования вихревой интенсификации теплогидродинамических процессов в теплообменных аппаратах / Исаев С.А., Баранов П.А., Усачов А.Е. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015619439. Дата поступления 08.06.2015. Дата регистрации 03.09.2015].
Теплообменные поверхности с предлагаемой формой интенсификатора теплообмена в форме бумеранга позволяют ликвидировать низкоинтенсивные отрывные зоны с низкой скоростью вторичного течения в хвостовой части по внешнему потоку и повысить теплоотдачу в хвостовой части по сравнению с другими известными формами теплообменных поверхностей.
Результаты численного исследования распределения давления и чисел Нуссельта на поверхности с одиночным углублением в форме бумеранга представлены на фиг.3 и фиг.4, соответственно. Результаты приведены для отношения сторон углубления в форме бумеранга l2/l1=0-1,0 для чисел Рейнольдса Red=104. При этом необходимо указать, что при l2/l1=1,0 углубление является овально-траншейным.
Суммарное число Нуссельта Nu рассчитывается на контрольной площади окружающего углубление прямоугольного участка с учетом увеличения криволинейной поверхности выемки. Гидравлические потери ξ определяются по границам контрольного участка с углублением. Для сравнения рассчитывается число Нуссельта Nu0 и коэффициент гидравлического сопротивления ξ0 для ровной плоской поверхности, той же площади, что и для поверхности с углублением. Теплогидравлическая эффективность E=(Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)0,3 рассчитывается как отношение тепловой эффективности Nu/Nu0 на выделенном участке к относительным гидравлическим потерям ξ)/ξ0 на границах участка.
В ходе численных исследований показано, что темп возрастания тепловой эффективности значительно опережает рост гидравлических потерь. Тепловая эффективность поверхности с углублением в форме бумеранга также максимальна при соотношении длин l2/l1=0,5 и составляет Nu/Nu0=1,115. Для сравнения для поверхности с овально-траншейным углублением (l2/l1=1,0) тепловая эффективность ниже - Nu/Nu0=1,09.
Гидравлические потери на участке поверхности с углублением в форме бумеранга также максимальны при соотношении длин l2/l1=0,5 и составляют ξ/ξ0=1,17. Однако для поверхности с овально-траншейным углублением (l2/l1=1,0) прирост гидравлического сопротивления ниже - ξ/ξ0=1,127.
В итоге, максимальная теплогидравлическая эффективность Е=1,06 получена для углубления в форме бумеранга с относительным удлинением lк/b=(l1+l2+b)/b=6,78 при соотношении длин l2/l1=0,5-0,6. Причем для сферического углубления E<1 при учете увеличения площади омываемой стенки канала. Для поверхности с овально-траншейным углублением (l2/l1=1,0) теплогидравлическая эффективность ниже - Е=1,05, чем для углубления в форме бумеранга.
Как показали расчеты, такие углубления в форме бумеранга обладают преимуществом по отношению к овально-траншейным углублениям по тепловой и теплогидравлической эффективностям.
Для обеспечения максимальной теплогидравлической эффективности рекомендуется 50-60% отклонение хвостовой части овально-траншейной выемки по потоку, т.е. рекомендуемое значение l2/l1=0,5-0,6 (фиг. 5).
Таким образом, сравнение предлагаемой конструкции теплообменной поверхности с углублениями в форме бумеранга по теплогидравлической эффективности (критерию аналогии Рейнольдса) с поверхностью с овально-траншейными углублениями, которые превосходят сферические и овальные, показывает преимущество углублений в форме бумеранга при соблюдении геометрических соотношений размеров углубления: l/b=4,7-5,78 или lк/b=5,57-6,78; l2/l1=0,5-0,6; ϕ=45°; h/b=0,18-0,37; r=0,025b, длиной l1, градусы.
Claims (12)
- Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи при турбулентном течении теплоносителя, выполненная в виде периодически нанесенных углублений, отличающаяся тем, что углубления выполнены в форме бумеранга, состоящей из двух половинок сферической выемки радиусом R, соединенных цилиндрическими сегментами длиной l=l1+l2, шириной b таким образом, чтобы реализовывалось условие, что ось сегмента длиной l1 составляла угол ϕ=45° по отношению к направлению потока в начале углубления и угол 0° к оси сегмента углубления длиной l2 с геометрическими соотношениями:
- l/b=4,7-5,78 или lк/b=5,57-6,78;
- l2/l1=0,5-0,6;
- h/b=0,18-0,37;
- r=0,025b;
- b=2R - ширина углубления, мм;
- r - радиус скругления кромок углубления, мм;
- ϕ - угол натекания потока на сегмент углубления длиной l1, градусы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021115548A RU2768667C1 (ru) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | Теплообменная поверхность |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021115548A RU2768667C1 (ru) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | Теплообменная поверхность |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2768667C1 true RU2768667C1 (ru) | 2022-03-24 |
Family
ID=80819429
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021115548A RU2768667C1 (ru) | 2021-05-31 | 2021-05-31 | Теплообменная поверхность |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2768667C1 (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 (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
UA13888A (ru) * | 1994-07-12 | 1997-04-25 | Інститут Технічної Теплофізики Нан України | Теплообменная поверхность |
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 |
RU2425260C2 (ru) * | 2006-08-31 | 2011-07-27 | Геннадий Ираклиевич Кикнадзе | Поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена |
RU2684303C1 (ru) * | 2018-06-13 | 2019-04-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Теплообменная поверхность |
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 |
-
2021
- 2021-05-31 RU RU2021115548A patent/RU2768667C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
UA13888A (ru) * | 1994-07-12 | 1997-04-25 | Інститут Технічної Теплофізики Нан України | Теплообменная поверхность |
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 |
RU2425260C2 (ru) * | 2006-08-31 | 2011-07-27 | Геннадий Ираклиевич Кикнадзе | Поверхность тела для уменьшения трения и поверхность тела для интенсификации теплообмена |
RU2684303C1 (ru) * | 2018-06-13 | 2019-04-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Теплообменная поверхность |
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 |
---|---|---|
RU2020304C1 (ru) | Поверхность обтекания для формирования динамических вихревых структур в пограничных и пристенных слоях потоков сплошных сред | |
Lu et al. | Analysis on heat transfer and pressure drop of a microchannel heat sink with dimples and vortex generators | |
US4930729A (en) | Control of fluid flow | |
Li et al. | Parametric study on heat transfer and pressure drop of twisted oval tube bundle with in line layout | |
Eiamsa-Ard et al. | Influence of three-start spirally twisted tube combined with triple-channel twisted tape insert on heat transfer enhancement | |
US5026232A (en) | Boundary layer devices | |
KR101116759B1 (ko) | 열교환기 | |
Yeranee et al. | A review of recent studies on rotating internal cooling for gas turbine blades | |
RU2640876C2 (ru) | Теплопередающая труба и крекинг-печь с использованием теплопередающей трубы | |
Mangrulkar et al. | Numerical investigation of heat transfer and friction factor characteristics from in-line cam shaped tube bank in crossflow | |
Tokgoz et al. | Effect of corrugated channel phase shifts on flow structures and heat transfer rate | |
KR102391896B1 (ko) | 열교환기용 코루게이티드 핀 | |
JPS63105397A (ja) | 熱交換器 | |
Lu et al. | Analysis on heat transfer and pressure drop of fin-and-oval-tube heat exchangers with tear-drop delta vortex generators | |
KR20040078117A (ko) | 열교환기 | |
JP2008096048A (ja) | 排気ガス用熱交換器のインナーフィン | |
RU2768667C1 (ru) | Теплообменная поверхность | |
Mahanand et al. | Implementation of hybrid rib-turbulators on the thermal performance of solar air heater duct: a collective review | |
RU2684303C1 (ru) | Теплообменная поверхность | |
Yoon et al. | Effect of variable pitch on forced convection heat transfer around a helically twisted elliptic cylinder | |
RU2716958C1 (ru) | Теплообменная поверхность | |
Bhandari et al. | A review on design alteration in microchannel heat sink for augmented thermohydraulic performance | |
Popov et al. | Thermal and hydraulic characteristics of discretely rough tubes at transient flow regimes | |
RU2807858C1 (ru) | Теплообменная поверхность для интенсификации теплоотдачи турбулентного потока теплоносителя | |
WO2019233680A1 (en) | Devices and methods for hydrocarbon cracking |