способ интенсификации теплообмена

Формула изобретения

Способ интенсификации теплообмена, включающий создание на поверхности теплообмена вихревого течения, отличающийся тем, что продольные вихри формируют путем наложения радиального течения от вращающихся дисков на набегающий поток за счет размещения их над поверхностью теплообмена на расстоянии от b/5 до 2b, при этом диски располагают параллельно друг другу на расстоянии b в диапазоне

d < b < 10d,

где для ламинарного течения и

d = r(0,05+5(Iog(Re))^-2,7) для турбулентного течения;

b - расстояние между дисками (м);

- угловая скорость вращения дисков (рад/с);

V - кинематическая вязкость набегающего потока (м²/с);

r - радиус дисков (м);

Re = r²/ V - число Рейнольдса,

причем касательная к линии пересечения поверхности теплообмена и произвольной плоскости, параллельной плоскости дисков, совпадает по направлению с вектором скорости набегающего потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании теплообменных устройств.

Известны способы интенсификации теплообмена за счет увеличения площади поверхности теплообмена (оребрение, гофрирование поверхности и т.п.), за счет увеличения скорости обдува поверхности или турбулизации омывающего потока /1/.

Недостатками этих способов являются увеличение габаритов теплообменников, возрастание материалоемкости, усложнение технологии изготовления или возрастание гидравлических потерь при увеличении тепловой мощности устройств.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ интенсификации конвективного теплообмена и устройство для его реализации, заключающийся во вращательном движении пристенных слоев потока жидкости или газа при помощи устройства, в которое введено круговое поперечное сечение трубы, имеющей винтовую волнообразную поверхность /2/.

Недостатком этого способа является сложность изготовления винтовой волнообразной поверхности и неизбежное увеличение гидравлического сопротивления.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение теплосъема с единицы площади теплообменной поверхности.

Поставленная задача реализуется благодаря тому, что над поверхностью теплообмена формируют продольные вихри путем наложения радиального течения от вращающихся дисков на набегающий поток за счет размещения их над поверхностью теплообмена на расстоянии от b/5 до 2b, при этом диски располагают параллельно друг другу на расстоянии b в диапазоне d < b < 10d,

где

для ламинарного течения и

d = r (0.05+5(log(Re))^-2.7) для турбулентного течения;

b - расстояние между дисками (м);

w - угловая скорость вращения дисков (рад/с);

v - кинематическая вязкость набегающего потока (м²/с);

r - радиус дисков (м);

Re = r²w/v - число Рейнольдса,

причем касательная к линии пересечения поверхности теплообмена и произвольной плоскости, параллельной плоскости дисков совпадает по направлению с вектором скорости набегающего потока.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо.

Представленные чертежи поясняют предлагаемый способ.

На фиг. 1 схематично показана газодинамическая структура течения, формирующаяся на поверхности теплообмена при наличии системы продольных вихрей в омывающем потоке; на фиг. 2 - показаны элемент конструкции и схема течения в изометрической проекции для пояснения способа интенсификации теплообмена.

Способ осуществляется следующим образом.

Над поверхностью теплообмена 1 размещают на оптимальном расстоянии вращающиеся на валу 2 и параллельно расположенные между собой диски 3. Применение необходимого числа дисков позволяет покрыть вихрям всю поверхность теплообмена.

Одним из частных случаев технической реализации, может быть ситуация, когда роль набегающего потока (омывающего) выполняет тангенциальная компонента скорости среды вблизи вращающегося диска.

Вращение в направлении 9 дисков 3, закрепленных на валу 2 и установленных над поверхностью теплообмена 1, к нижней стороне которой подводится тепло 8, приводит к развитию в омывающем потоке 7 над поверхностью продольных вихрей 4 со спиральными линиями тока 10, и на самой поверхности - формирование системы линий растекания 11 и стекания 12, располагающихся, соответственно, напротив краев дисков 3 и на половине расстояния между ними. Силы трения в междисковом пространстве поддерживают развитие омывающего потока 7 за счет тангенциальной компоненты 5, а радиальная компонента скорости 6 около вращающегося диска обеспечивает рециркуляционную картину течения в продольных вихрях на поверхности. Такая картина течения обеспечивает перенос продольными вихрями тепла от поверхности теплообмена к внутренним слоям омывающего потока, увеличивая тем самым коэффициент теплообмена.

Масштабы вихрей определяются геометрическими параметрами - расстоянием b между дисками и расстоянием от краев дисков до поверхности теплообмена.

Значения этих параметров определяются характерной толщиной пограничного слоя d на вращающемся диске. Толщина пограничного слоя зависит от режима течения около диска - ламинарного или турбулентного /3/:

в первом случае

во втором - d = r(0,05+(lg(Re))^-2.7),

где

b - расстояние между дисками (м);

- угловая скорость вращения дисков (рад/с);

v - кинематическая вязкость набегающего потока (м²/с);

r - радиус дисков (м);

Re = r/v - число Рейнольдса.

Режим течения можно определить по значению Re. При Re < 3 10⁵ течение ламинарное. При больших значениях Re течение турбулентное.

Эффект увеличения коэффициента теплообмена реализуется при расстоянии от краев дисков до поверхности теплообмена от b/5 до 2b, и расстояниях между дисками d < b < 10d, при этом, оптимальными являются значения b от 3d до 5d.

Оптимальными являются значения b от 3 до 5 толщин пограничного слоя на диске, поскольку в этом случае реализуются максимальные скорости рециркуляционного течения в междисковом пространстве, и поперечные размеры продольных вихрей коррелируют с толщиной пограничного слоя на дисках. При уменьшении расстояния между дисками от оптимальных значений уменьшается интенсивность рециркуляционного течения, и, следовательно, интенсивность продольных вихрей на поверхности. При увеличении этого расстояния вихри локализуются вблизи дисков и не покрывают всю поверхность, что также снижает эффективность способа.

Оптимальным расстоянием от краев дисков до поверхности теплообмена является толщина пограничного слоя на диске. Уменьшение этого расстояния приводит к тому, что развивающийся на диске поток в радиальном направлении начинает тормозиться, приближаясь к краю диска, расположенного слишком близко от поверхности теплообмена, и не достигает своего максимального значения. Увеличение этого расстояния уменьшает интенсивность продольных вихрей на поверхности теплообмена, т.е. эффективность способа, из-за быстрого падения радиальной скорости.

Способ интенсификации теплообмена за счет искусственно формируемой системы продольных вихрей в набегающем (омывающем) потоке может быть использован в производстве компактных теплообменных устройств большой тепловой мощности при малой материалоемкости и достаточной технологической простоте изготовления.