Трубчатый элемент теплообменника

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданов Валерий Львович Жукова Юлия Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Трубчатый элемент теплообменника, включающий направляющие пластины, расположенные по обе стороны трубчатого элемента симметрично относительно его центральной оси, жестко закрепленные между двумя металлическими листами, отличающийся тем, что направляющие пластины выполнены в поперечном сечении дугообразными и смещены относительно поверхности трубчатого элемента на расстояние 0,35-0,4 его диаметра, причем направляющие пластины установлены таким образом, что угол в поперечном сечении между линиями, одна из которых соединяет центральную ось трубчатого элемента с передней кромкой направляющей пластины, а другая - с лобовой критической точкой, расположенной на его передней части внешней поверхности, составляет не менее 105, а длина каждой из направляющих пластин составляет не более 0,5 диаметра трубчатого элемента. 44372008.06.30 2..,.,.,.,Т.,К.,, . 2 ., . ,4-6. - . 121-176, 2001 (прототип). Предлагаемое техническое решение относится к элементам теплообменных и теплопередающих устройств, в частности к трубчатым элементам указанных устройств со средствами для увеличения площади теплопередачи, которые могут найти применение в области теплоэнергетики. Известны трубчатые элементы теплообменника 1, выполненные в виде трубы, с поверхности которой снимается или к поверхности которой подводится с помощью обтекающей среды тепловой поток. Недостатками такой конструкции являются высокий коэффициент аэродинамического сопротивления элемента, определяемый суммой сопротивления за счет сил трения на поверхности объекта и сопротивления, возникающего из-за разности давления между передней и задней поверхностями теплообменного элемента, а также знакопеременная поперечная нагрузка, возникающая вследствие схода вихрей с задней поверхности теплообменного элемента. Кроме того, из-за отрыва потока от задней поверхности теплообменного элемента теплоотдача этой части существенно ниже, чем передней. Наиболее близким техническим решением является конструкция трубчатого элемента теплообменника, описанная в трудах 2-го Симпозиума по современным методам управления турбулентностью, проходившего в Университете г. Токио 4-6 марта 2001 г., принятая в качестве прототипа 2. В известном техническом решении трубчатый элемент жестко закреплен между двумя металлическими листами. К внешней поверхности в средней части трубчатого элемента теплообменника жестко прикреплены две направляющие пластины каждая длиной 0,5 диаметра трубчатого элемента, расположенные по обе стороны трубчатого элемента симметрично относительно центральной его оси. При обтекании трубчатого элемента набегающий поток теплоносителя первоначально сталкивается с лобовой критической точкой, располагающейся на передней части внешней поверхности трубчатого элемента теплообменника, где теплоотдача максимальна, и далее обтекает ее заднюю часть. Причем теплоотдача в задней части трубчатого элемента теплообменника минимальна. В процессе взаимодействия сил вязкости с обтекаемым трубчатым элементом теплообменника на его поверхности образуется пограничный слой, толщина которого минимальна в лобовой критической точке и увеличивается вверх по потоку теплоносителя, и при достижении критической толщины за миделевым сечением происходит отрыв. Такое жесткое крепление направляющих пластин к трубчатому элементу малоэффективно, так как затягивает отрыв пограничного слоя и не обеспечивает возможность снижения аэродинамического сопротивления при одновременном увеличении теплообмена. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности теплообменного элемента за счет снижения его аэродинамического сопротивления. Задача решается следующим образом. В известном трубчатом элементе теплообменника, включающем направляющие пластины, расположенные по обе стороны трубчатого элемента симметрично относительно его центральной оси, жестко закрепленные между двумя металлическими листами, согласно предлагаемому техническому решению, направляющие пластины выполнены в поперечном сечении дугообразными и смещены относительно поверхности трубчатого элемента на расстояние 0,35-0,4 его диаметра, что обеспечивает снижение аэродинамического сопротивления, причем направляющие пластины установлены таким образом, что угол в поперечном сечении между линиями, одна из которых соединяет центральную ось трубчатого элемента с передней кромкой направляющей пластины, а другая - с лобовой критической точкой, расположенной на его передней части внешней поверхности, составляет не менее 105, а длина каждой из 2 44372008.06.30 направляющих пластин составляет не более 0,5 диаметра трубчатого элемента, что способствует формированию вихревых структур ближе к задней части внешней поверхности трубчатого элемента, а следовательно, интенсификации теплообмена в этой части трубчатого элемента теплообменника. Таким образом, отношение длины каждой из направляющих пластин к диаметру трубчатого элемента обеспечивает снижение аэродинамического сопротивления и знакопеременной нагрузки, а также повышение теплоотдачи. Причем знакопеременная нагрузка означает, что, чем меньше размер вихрей, тем меньшее разрежение они создают за трубчатым элементом теплообменника, и тем меньше величина знакопеременной нагрузки. На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого трубчатого элемента теплообменника. На фиг. 2 в поперечном сечении показаны форма выполнения направляющих пластин и их расположение. На фиг. 3 представлена зависимость аэродинамического сопротивления трубчатого элемента теплообменника от отношения длины направляющей пластины к диаметру трубчатого элемента. На фиг. 4 представлена зависимость знакопеременной нагрузки, действующей на трубчатый элемент теплообменника, от отношения длины направляющей пластины к диаметру трубчатого элемента. На фиг. 5 представлено изображение структуры течения потока теплоносителя в пристеночной области трубчатого элемента теплообменника, полученное на основе численного моделирования. На фиг. 6 представлена зависимость теплоотдачи трубчатого элемента теплообменника, отнесенной к теплоотдаче трубчатого элемента в лобовой критической точке, от отношения длины направляющей пластины к диаметру трубчатого элемента. Трубчатый элемент 1 теплообменника содержит направляющие пластины 2 и 3, которые расположены по обе стороны трубчатого элемента 1 симметрично относительно его центральной оси и жестко закреплены между двумя металлическими листами 4. Они служат для направления потока теплоносителя вдоль задней части внешней поверхности трубчатого элемента теплообменника. Направляющие пластины 2 и 3 смещены относительно внешней поверхности трубчатого элемента 1 на расстояние 0,35-0,4 его диаметра, что обеспечивает снижение аэродинамического сопротивления, и расположены под углом , равным не менее 105. Уголопределяется (фиг. 2) в поперечном сечении трубчатого элемента 1 между линиями, одна из которых соединяет его центральную ось с передней кромкой 5 или 6 направляющей пластины 2 или 3, а другая - с лобовой критической точкой 7, расположенной на его передней части внешней поверхности. Длинакаждой из направляющих пластин 2 или 3 составляет не более 0,5 диаметратрубчатого элемента, что способствует формированию мелких вихревых структур (фиг. 5), а следовательно, снижению аэродинамического сопротивления и знакопеременной нагрузки, а также повышению теплоотдачи. Зависимость аэродинамического сопротивления трубчатого элемента теплообменника от отношения длины направляющей пластины к диаметру трубчатого элемента представлена линией 8 (фиг. 3) по сравнению с предложенным в прототипе трубчатым элементом теплообменника, представленным линией 9. Зависимость знакопеременной нагрузки, действующей на трубчатый элемент теплообменника,от отношения длины направляющей пластины к диаметру трубчатого элемента представлена линией 10 (фиг. 4) по сравнению с трубчатым элементом теплообменника - линия 11. Зависимость теплоотдачи трубчатого элемента теплообменника - числа Нуссельта ,отнесенной к теплоотдаче трубчатого элемента в лобовой критической точке 0, от отношения длины направляющей пластины к диаметру трубчатого элемента представлена линией 12 (фиг. 6) по сравнению с трубчатым элементом теплообменника - линия 13. Трубчатый элемент теплообменника работает следующим образом. Набегающий поток обтекает трубчатый элемент 1 теплообменника с направляющими пластинами 2 и 3,3 44372008.06.30 жестко закрепленными между двумя металлическими листами 4. Направляющие пластины 2 и 3 смещены относительно внешней поверхности трубчатого элемента 1 на расстояние 0,35-0,4 его диаметраи расположены под углом , равным не менее 105. В результате отрыва потока за трубчатым элементом 1 теплообменника с направляющими пластинами 2 и 3 формируются мелкие вихревые структуры, обеспечивающие снижение аэродинамического сопротивления и знакопеременной нагрузки, а также повышение теплоотдачи. Взаимодействуя с передними кромками 5 или 6 направляющих пластин 2 или 3,отрывающиеся пограничные слои формируют меньшие по размеру и интенсивности вихри. В результате абсолютная величина разрежения и зона его влияния существенно сокращаются, обусловливая снижение сопротивления предлагаемого трубчатого элемента 1 теплообменника (фиг. 3), что представлено линией 8 на диаграмме зависимости полного сопротивления предлагаемого трубчатого элемента 1 теплообменника от отношения длинынаправляющей пластины 2 или 3 к диаметрутрубчатого элемента 1 по сравнению с предложенным в прототипе трубчатым элементом теплообменника (линия 9). Отрыв от трубчатого элемента 1 более мелких вихревых структур обеспечивает также снижение знакопеременной нагрузки (фиг. 4), что представлено линией 10 на диаграмме зависимости величины знакопеременной нагрузки, действующей на предлагаемый трубчатый элемент 1 теплообменника, от отношения длинынаправляющей пластины 2 или 3 к диаметрутрубчатого элемента 1 по сравнению с трубчатым элементом 1 теплообменника (линия 11). Кроме того, при уменьшении длинынаправляющей пластины 2 или 3 центр формирующегося вихря приближается к задней части внешней поверхности трубчатого элемента 1 теплообменника с направляющими пластинами 2 и 3, а взаимодействие вихревых структур с направляющими пластинами 2 и 3 приводит к образованию дополнительных мелких вихревых структур (фиг. 5). Мелкие вихревые структуры (фиг. 5) формируются ближе к трубчатому элементу 1 теплообменника с направляющими пластинами 2 и 3 и взаимодействуют с большей частью его внешней поверхности, таким образом обеспечивая интенсификацию теплообмена (фиг. 6), что представлено линией 12 на диаграмме зависимости величины теплоотдачи предлагаемого трубчатого элемента 1 теплообменника (числа Нуссельта), отнесенной к теплоотдаче трубчатого элемента 1 в лобовой критической точке 7, от отношения длинынаправляющей пластины 2 или 3 к диаметрутрубчатого элемента 1 по сравнению с трубчатым элементом теплообменника (линия 13). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5