Способ интенсификации теплообмена в каналах

 

Использование: теплотехника, интенсификация теплообмена в химически не реагирующих газовых потоках. Сущность изобретения: в каналах 1,2 предварительно устанавливают с равномерным шагом пластины 4. Прием обдува этих пластин 4 возбуждаютавтоколебаниясо сверхкритическим уровнем давления. Автоколебания возникают в режиме захвата частоты периодического схода вихрей с задних кромок пластин одной из собственных частот колебаний теплоносителя в канале. При возбуждении автоколебаний пространственное распределение амплитуд колебаний давления в области под и над пластинами имеет вид плоских волн. Вверх и вниз по потоку акустическое поле представляет собой поперечную моду с узлом давления на оси канала и экспоненциально затухающей по длине амплитудой. 3 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 28 F 13/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4718864/06 (22) 11.07.89 (46) 15.06.92, Бюл. ¹ 22 (71) Центральный институт авиационного . моторостроения им. П.И.Баранова (72) Е.А.Фоломеев, М,А.Ильченко, Н.И,Селин и А.С.Рудаков (53) 621.565.94(088.8) (56) Галиуллин P.Ã. и др. "Течение вязкой жидкости и теплообмен тел в звуковом поле.

Казань, Изд-во КГУ, 19 18, с, 127.

Галицейский Б.М. и др, Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках, М,: Машиностроение, 1977, с,229.

Авторское свидетельство СССР № 699314, кл. F 28 F 13/10, 1976.

Авторское свидетельство СССР

N 1125461, кл. F 28 F 13/10, 1983. (54) СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В КАНАЛАХ

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в различных теплообменных аппаратах.

Цель изобретения — снижение энергозатрат путем интенсификации теплообмена.

Известно, что теплообмен интенсифицируется под воздействием звуковых колебаний, уровень которых превышает т,н.

"критический" уровень звукового давления, изменяющийся согласно различным известным данным в пределах 140 — 160 дБ. Однако из-за низких значений КПД излучателей их применаниедля возбуждения мощных коле. Ж,„, 1740957 А1

И, г с tÚ . (57) Использование: теплот ника, интенсификация теплообмена в химически не реагирующих газовых потоках. Сущность изобретения; в каналах 1, 2 предварительно устанавливают с равномерным шагом пластины 4. Прием обдува этих пластин 4 возбуждают автоколебания со сверхкритическим уровнем давления. Автоколебания возникают в режиме захвата частоты периодического схода вихрей с задних кромок пластин одной из собственных частот колебаний теплоносителя в канале. При возбуждении автоколебаний пространственное распределение амплитуд колебаний давления в области под и над пластинами имеет вид плоских волн. Вверх и вниз по потоку акустическое поле представляет собой поперечную моду с узлом давления на оси канала и экспоненциально затухающей по длине амплитудой. 3 ил. баний в теплообменных аппаратах с практической точки зрения является целесообразным вследствие больших энергозатрат.

Известна экспериментальная установка, в которой акустические колебания, интенсифицирующие теплообмен, создаются пульсатором, для которого в качестве привода используется специальный электродвигатель. Недостатком такой конструкции является наличие громоздкого источника, колебаний, размеры которого сравнимы с габаритами самого теплообменника.

Известно устройство для созданий акустических колебаний в теплообменном ап1740957 парате с целью интенсификации теплообмена. Недостаток данного устройства состоит в том, что для создания акустических колебаний высокой амплитуды необходимо увеличивать число резонансных полостей, что приводит к возрастанию веса и габаритов устройства а также к увеличению потребного перепада давления на прокачку рабочей среды через данное устройство.

Известен способ интенсификации теплообмена, реализованный в кожухотрубном теплообменнике, заключающийся в том, что в межтрубном пространстве возбуждают звуковые колебания путем продувки теплоносителя через резонансные полости, образованные скрепленными трубными досками, скрепляющими вертикальные трубные пучки. Недостаток данной конструкции состоиут в том, что в ней невозможнор созданиео звуковывх колебаний высокого уровня по всей длине межтрубного пространства, что уменьшает интенсификацию теплообмена.

В канале по всей его длине с равномерным шагом устанавливают пластины и возбуждают автоколебания со сверхкритическим уровнем давления путем обдува указанных пластин теплоносителем, Автоколебания возникают на режиме захвата частоты периодического схода вихрей с задних кромок пластин одной из собственных частот колебаний теплоносителя в канале. При возбуждении актоколебаний пространственное распределение амплитуд колебаний давления в области под и над пластинами имеет вид плоских волн, а вверх и вниз по потоку акустическое поле представляет собой поперечную моду с узлом давления на оси канала и с экспоненциально затухающей по длине амплитудой. Такие (нераспространяющиеся) формы колебаний уменьшают потери акустической энергии в канале и тем самым обеспечивают достижение сверхкритических уровней звукового давления (до 176 дБ) по всей длине канала, что.приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи а. Формулы для расчета резонансных частот и пространственное распределение амплитуд колебаний давления в зависимости от соотношения между высотой канала и длиной пластины даны, например, в (5)., Используя предлагаемый способ интенсификации с. изменением конструктивных параметров теплообменника, при прочих равных условиях можно существенно снизить энергозатраты на прокачку теплоносителя или уменьшить массу теплообменной поверхности. Применительно к двигателям летательных аппаратов последнее также приводит к снижению энергозатрат.

В качестве конкретного примера для оценки снижения массы m теплообменной

5 поверхности можно воспользоваться соотношением, приведенным в (4), для воздушного одноходового кожухотрубного теплообменного аппарата:

10 д0.41

m— N1,41 где фЯ = — отношение чисел Эйлера

Еи

15 Е« для канала с интенсификацией Еи и без интенсификации Е«>, u = — отношение чисел НуссельNu

Nuo

20 та для канала с интенсификацией (Nu) и без интенсификации (Nuo) я = — отношение масс теплообменmo ной поверхности с интенсификацией (m) и

25 без интенсификации (mo).

Значения чисел Нуссельта и Эйлера для каналов без интенсификации определяются расчетом по соотношениям

0,7 f (Re — 1000) (0,703 +

1 — 2,648 Л где f = 8 (1,82lg Rl - 1,64); л л

40 0,611 где Лтро = О, 0072 + Ке 0 35 а для канала с интенсификацией — экспериментально. Изображенная на фиг.1 схема

45 экспериментальной установки состоит из двух каналов 1 и 2 постоянного поперечного сечения, например прямоугольного, разделеных плоской пластиной 3. Вдоль осей каналов расположены пластины 4, плотно

50 прилегающие к боковым стенкам каналов.

На входе и выходе каналов размещены термопары 5-8 для измерения температур потоков и датчики 9 — 12 давления, B центре установки размещена термопара 13 для за55 мера температуры пластины 3. На стенке канала 2 установлен датчик 14 пульсаций давления. Все измеряемые сигналы через аналого-цифровые преобразователи 15, 16 вводятся в 3ВМ 17.

1740957

ЛР аЕЬ, 5 " Su2 2бг

pu= const

u " + — u2sign (u) (2) бо 1 бр Лтр 2 10

G — массовый расход

15 Тг — средняя температура горячего потока;

Тх — средняя температура холодного потока. где Х вЂ” продольная координата; p- плотность теплоносителя;

U — скорость теплоносителя;

P — давление теплоносителя;

Т вЂ” температура теплоносителя; 20

СР— удельная теплоемкость при постоянном давлении; 9- температурный коэффициент объемного расширения;

kp — коэффициент трения; 25 бг — гидравлический диаметр; ох ((— тепло. подводимое к единице объема в единицу времени, через поверхность теплообмена, q»= pu Sign (u)- -"- в результате л, 30

2бг работ сил трения, Переход от дифференциалов к измеряемым в эксперименте конечным разностям систему (2) для идеального газа можно преобразовать к виду 40 — (— 1)м

Лp

P б

50 где ЛХ вЂ” длина мерного участка;

g — показатель адиабаты;

М вЂ” число Маха потока;

Л Р и ЛТ вЂ” разности давлений и темпе- 55 ратур на входе и выходе мерного участка.

В соответствии с общепринятым подходом гидравлические потери характеризуются числом Эйлера (Eu), а теплообмен—

Обработка измеряемых параметров основывается на следующих теоретических предпосылках. Система уравнений для описания. стационарного течения газа в каналах

< постоянного сечвния с учетом трения имеет вид

p U Cp P Tu — = цкон + чтр

dT dp

dx dx

1 при U) 0

Sign(u)= (-1 при U< О

Атр Лх ЛТ ЛP 1

QKOH ЛХ ЬТ (1 g 1) 2) рисрт т коэффициентом теплопередачи К, которые можно выразить, используя (3), в виде:

G Cp T i (1+ (K — 1)MF ) — — (IC — 1)M

ЬТ ЛР 2

К т где S — площадь поверхности теплообмена; бхбг Кбг Tu — Tx

Nux— х х Т(.(д — Тх

Из условия равенства теплового потока между горячим и холодным газом и тепловых потоков между теплоносителями и пластиной 3, можно найти связь коэффициента теплопередачи К с коэффициентом теплоотдачи . По найденным значениям коэффициентов теплоотдачи определяются числа

Нуссельта для холодного (горячего) потока где Т л — температура пластины; х — коэффициент теплопроводности холодного газа при

Отношения полученных указанными выше способами чисел. Нуссельта N<, й«и

Эйлера ЕО, Е«в зависимости от числа Рейднольдса представлены на фиг.2 и 3. Видно, что применение предлагаемого способа интенсификации теплообмена в диапазоне чисел Re = (0,6 - 1) х10, соответствующем режимам возбуждения автоколебаний в каналах с пластинами, приводит к существенному увеличению теплоотдачи, характеризующемуся возрастанием чисел

Нуссельта в 1,4 — 2,8 раза, при увеличении гидравлических потерь, определяемых числами Эйлера в 1,5 — 1,8 раза. Расчет по (1) с использованием представленных на фиг.2 и

3 экспериментальных данных показывает, что в диапазоне чисел Re = (0,8-1,0)х10 применение предлагаемого способа интенсификации теплообмена позволяет уменьшить массу теплообменной поверхности в 3,3 раза.

В настоящее время на предприятии проведены экспериментальные исследования предлагаемого способа интенсифика1740957 гя

7, 70 Я Ю

02 ции теплообмена в модельном теплообменнике.

Формула изобретения

Способ интенсификации теплообмена в каналах путем возбуждения автоколебаний, Уи

+ a

2,6 отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат, предварительно по оси канала с равномерным шагом устанавливают пластины и возбуждают автоколе5 бания со сверхкритическим давлением путем обдува упомянутых пластин.

1740957

f,7

Р.2

45

Редактор Н.Федорова

Заказ 2077 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Еы

Еир fä

Составитель М,Ильченко

Техред М,Моргентал Корректор M,Шароши