Теплообменник для вязких жидкостей

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Сидорович Татьяна Викторовна Зновец Петр Кириллович Глеб Владимир Константинович Германович Сергей Павлович Байков Валентин Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Теплообменник, включающий трубу, расположенную внутри прямоугольного кожуха с образованием зазора между ними, входную камеру, связанную с трубой со стороны входа в нее, с размещенной в камере уравнительной решеткой и выходную камеру, размещенную со стороны выхода из трубы, а также термопары, отличающийся тем, что стенки трубы выполнены плоскопараллельными с образованием между ними канала, верхняя и нижняя стенки которого снабжены выемками обтекаемой формы, направленными своей выпуклостью внутрь канала, причем расстояние между выемками составляет 10 п, где- расстояние между выемками, п - глубина выемки, а сами выемки, расположенные на нижней стенке канала, смещены относительно выемок, расположенных на верхней стенке канала, на величину, равную длине выемки у ее основания.(56) 1. Сидорович Т.В., Байков В.И. Теплообмен в коротких цилиндрических каналах переменного проходного сечения с постоянной температурой стенки при ламинарном пульсационном течении вязкой жидкости // Тепло- и массоперенос. 2008. - Минск ИТМО им. А.В.Лыкова НАН Беларуси, 2009. - С. 266-276. 2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. Москва Машиностроение, 1990. - С. 200. 3. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - Москва Энергия, 1969. - С. 229. Полезная модель относится к теплотехнике, в частности к теплообменным устройствам, и может найти применение в энергетике, химической промышленности и в других отраслях техники. Важной задачей современной теплотехники является создание малогабаритных компактных теплообменников, теплообменный элемент которых состоит из коротких плоских или цилиндрических каналов 1. Такие теплообменники предназначены для охлаждения вязких жидкостей, теплофизические свойства которых претерпевают значительные изменения при нагреве или охлаждении. Например, слои вязких жидкостей, таких как трансформаторное масло, глицерин, сахарные растворы, протекающих в коротком канале в условиях ламинарного режима, не перемешиваются, а двигаются параллельно стенкам канала, ограничивающим поток. Поэтому процесс теплообмена происходит в условиях одновременного развития гидродинамического и теплового пограничных слоев, причем тепловые слои не успевают сомкнуться к выходному сечению канала. Известны способы интенсификации процессов конвективного теплообмена, описанные в книге Интенсификация теплообмена в каналах 2. Так, например, увеличение поверхности теплообмена при заданных размерах теплообменного аппарата путем размещения ребер на внутренних стенках канала для протекания гидродинамическое воздействие на поток жидкости с целью изменения характера ее течения (переходный и турбулентный режимы течения) внешнее воздействие на физические свойства жидкости путем применения электромагнитных или ультразвуковых полей. Все они находят применение в длинных теплообменниках, в которых достигается развитое течение на начальном участке от входа в теплообменник при турбулентном режиме течения. При этом режиме слои жидкости интенсивно перемешиваются, что приводит к более значительной интенсификации теплообмена между жидкостью и стенками теплообменника, чем при ламинарном режиме движения. Для коротких теплообменников, предназначенных для охлаждения или нагрева вязких жидкостей, у которых вязкость уменьшается при увеличении температуры, указанные способы интенсификации теплообмена не подходят. Например, установка ребер поперек потока жидкости, частично перекрывающих сечение канала,приводит к значительным потерям мощности на прокачку жидкости увеличение скорости движения жидкости в канале с гладкими стенками выше определенного предела ограничено тем, что жидкость за время движения в коротком канале не успевает передать требуемое количество тепла стенкам канала применение внешних электрических и магнитных полей, воздействующих на теплоноситель, связано с усложнением конструкции и необходимостью обеспечения дополнительных мер безопасности. Недостатком коротких теплообменников является их низкая теплогидравлическая эффективность, определяемая как отношение переданного жидкостью тепла стенкам канала к потерям мощности на преодоление жидкостью гидравлического сопротивления канала, что ограничивает область применения таких теплообменников. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятым за прототип является теплообменник, который описан в книге Экспериментальное исследование про 2 64242010.08.30 цессов теплообмена 3. Указанный теплообменник содержит гладкостенную трубу, расположенную внутри прямоугольного кожуха с образованием зазора между ними. Входная камера с размещенной в ней уравнительной решеткой обеспечивает равномерное распределение скорости жидкости на входе и присоединена к теплообменнику со стороны входа в трубу. Выходная камера установлена на выходе из трубы и гарантирует хорошее перемешивание жидкости, поступающей из трубы, перед измерением ее температуры и поступлением ее потребителю. Вязкая жидкость (масло) протекает через гладкостенную трубу, а в зазоре между трубой и кожухом движется охлаждающая жидкость (вода). Нагретая вязкая жидкость, требующая охлаждения, поступает во входную камеру, проходит через уравнительную решетку, в результате чего скорость жидкости выравнивается по входномусечению трубы. При движении вязкой жидкости по трубе она отдает тепло охлаждающей жидкости (вода), которая движется в зазоре между трубой и кожухом. Таким образом, при движении вязкой жидкости по трубе температура снижается, а вязкая жидкость, отдав часть тепла, поступает в выходную камеру. При этом скорость охлаждающей жидкости, циркулирующей в зазоре, выбирается для каждого технологического процесса такой, чтобы температура стенки трубы, измеряемая с помощью термопар, практически оставалась постоянной. Этого можно достигнуть увеличением массового расхода охлаждающей жидкости. Количество тепла, отданного вязкой жидкостью стенкам трубы,зависит, таким образом, от таких факторов, как скорость ее движения, теплопроводность стенки и профиля поперечного сечения трубы. Недостатком такого теплообменника с гладкостенными трубами является небольшой отвод тепла, поступающего от вязкой жидкости к стенкам трубы, то есть недостаточно высокая теплогидравлическая эффективность теплообменника. Задачей предлагаемого технического решения является повышение теплогидравлической эффективности теплообменника за счет интенсификации теплообмена между вязкой жидкостью и стенками трубы. Задача решается следующим образом. Известный теплообменник включает трубу, расположенную внутри прямоугольного кожуха с образованием зазора между ними, входную камеру, связанную с трубой со стороны входа в нее, с размещенной в камере уравнительной решеткой и выходную камеру,размещенную со стороны выхода из трубы, а также термопары. Согласно предлагаемому техническому решению, стенки трубы выполнены плоскопараллельными с образованием между ними канала, по которому протекает вязкая жидкость. Верхняя и нижняя стенки канала снабжены выемками обтекаемой формы,направленными своей выпуклостью внутрь канала, причем расстояние между ними составляет 10 п, где- расстояние между выемками, п - глубина выемки, а сами выемки, расположенные на нижней стенке канала, смещены относительно выемок,расположенных на верхней стенке канала, на величину, равную длине выемки у ее основания. Все это значительно увеличивает теплоотдачу вязкой жидкости стенкам трубы. Следовательно, повышение интенсификации теплообмена предлагаемой конструкции обеспечивает повышение теплогидравлической эффективности теплообменника. На фиг. 1 показана схема общего вида предлагаемого теплообменника. На фиг. 2 приведена форма сечения канала трубы и кожуха теплообменника. На фиг. 3 представлен график зависимости относительной теплогидравлической эффективности от температуры для симметричного и несимметричного (со смещением) расположения выемок на стенках канала. Предлагаемый теплообменник состоит из трубы 1, выполненной в виде плоскопараллельных стенок, образующих канал для движения по нему вязкой жидкости (например,трансформаторного масла), помещенной внутри прямоугольного кожуха 2 с образованием между ними зазора 3 для движения охлаждающей жидкости (например, воды). Входная камера 4 с размещенной в ней уравнительной решеткой 5 связана на входе с каналом тру 3 64242010.08.30 бы 1, а на выходе канал трубы 1 связан с выходной камерой 6. Верхняя стенка 7 и нижняя стенка 8 канала трубы 1 снабжены выемками 9 обтекаемой формы, направленными выпуклостью внутрь канала, которые образуют асимметричные (смещенные) зоны 11. Во входной камере 4 на стенках канала 7 и 8 и выходной камере 6 установлены термопары 10. Длина выемки 9 в ее основании - . Глубина выпуклости выемки - п. Расстояние между выемками 9 на обеих стенках 7 и 8 составляет не менее 10 п. Выемки 9 на нижней стенке 8 канала смещены относительно выемок на верхней стенке 7 канала на величину,равную длине самой выемки у ее основания - . Теплообменник работает следующим образом. Предварительно нагретую вязкую жидкость, например трансформаторное масло, подают во входную камеру 4, где с помощью уравнительной решетки 5 проходит выравнивание профиля скорости течения вязкой жидкости перед входом в канал трубы 1. Затем вязкая жидкость проходит по каналу между стенками 7 и 8 и, огибая выпуклости выемок 9, поступает далее в выходную камеру 6. Одновременно в зазор 3 между трубой 1 и кожухом 2 подают охлаждающую жидкость, например воду, которая движется вдоль стенок 7 и 8 канала, попадает в выходную камеру 6 и выходит, например, в накопительную емкость(на фиг. 1 не показана). Поскольку температура вязкой жидкости на входе в канал, выше температуры охлаждающей жидкости и, соответственно, температуры стенок канала (указанные температуры определяют термопарами 10), то по ходу движения вязкой жидкости по каналу температура ее снижается. При натекании вязкой жидкости на выемки 9, расположенные на верхней стенке 7, поток вязкой жидкости сужается вследствие уменьшения поперечного сечения канала трубы 1. Скорость потока при этом увеличивается. После этого жидкость натекает на выемки 9, расположенные на нижней стенке 8, за которой сечение канала увеличивается и скорость потока падает. Это происходит за счет наличия зон 11, образованных асимметричным расположением выемок 9. При дальнейшем движении вязкой жидкости на участке постоянного сечения между двумя выемками 9 течение стабилизируется до натекания на следующие две выемки 9. В зонах 11 возвратно-вихревого течения вязкой жидкости происходит перестройка профиля скорости, поперечная составляющая скорости претерпевает значительные изменения, перемешивая жидкость и внося в тепловой пограничный слой вихревую составляющую, тем самым интенсифицируя теплообмен между вязкой жидкостью и стенками канала. Если расстояниемежду выемками 9 меньше 10 п, то вязкая жидкость не успевает восстановить профиль скорости перед натеканием на следующие две выемки 9, тем самым снижая интенсивность теплообмена между вязкой жидкостью и стенками канала. Если выемки 9, расположенные на верхней стенке 7, разместить напротив выемок 9,расположенных на нижней стенке 8, то есть выполнить симметричное расположение выемок 9 относительно оси теплообменника, то гидравлическое сопротивление потоку значительно увеличится за счет уменьшения проходного сечения канала в местах их установки (фиг. 3, линия 2). С физической точки зрения это означает увеличение затрат энергии на перестройку профиля скорости жидкости, что экономически нецелесообразно. Известно, что при использовании вязких жидкостей теплоотдача в трубах с накаткой(рифлением) на теплообменных поверхностях ниже, чем в гладких трубах, из-за термического сопротивления малоподвижных рециркуляционных зон, образующихся в вязкой жидкости вблизи рифленой поверхности. Для определения возможности образования зоны обратного циркуляционного течения вязкой жидкости в зоне, расположенной за выемками, выполнена серия численных расчетов с использованием в качестве охлаждающей жидкости воды, вязкой жидкости - глицерина или трансформаторного масла в широком диапазоне изменения температур и скорости на входе в канал. По графикам для температурного напора и компонент скорости в поперечных сечениях каналов определялись наличие и толщина вихревой зоны, длина вихря и индуцированных им завихрений в пограничном слое для каналов с гладкими стенками и каналов, на теплообменных стенках 4 64242010.08.30 которых выемки выполнены симметрично и несимметрично. Результаты теоретикоэкспериментальных исследований показали, что скорость движения жидкости при симметричном расположении выемок выше, чем при несимметричном расположении, что приводит к увеличению передаваемого тепла. На графике фиг. 3 показано изменение относительной теплогидравлической эффективности (отношение теплогидравлической эффективности теплообменника, оснащенного выемками, к теплогидравлической эффективности гладкого канала таких же размеров) в зависимости от температуры жидкости на входе в канал. Кривая 1 характеризует теплогидравлическую эффективность теплообменника с несимметричными выемками на стенках канала, кривая 2 с симметричными. При температуре жидкости на входе в теплообменник, например, 60 С превышение относительной теплогидравлической эффективности для теплообменников с несимметричным расположением выемок составляет более 22 по сравнению с теплообменником с симметричным их расположением. Таким образом, выполнение выемок на верхней и нижней стенках канала, расположенных на расстоянии, составляющем не менее десяти глубин этих выемок (10 п), а также несимметричное их расположение на нижней стенке относительно расположения выемок на верхней стенке обеспечивает интенсификацию теплообмена между вязкой жидкостью и стенками канала и повышает теплогидравлическую эффективность теплообменника. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5