Теплообменник для вязких жидкостей

(51) МПК 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 Байков Валентин Иванович Германович Сергей Павлович Зновец Петр Кириллович Глеб Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Теплообменник для вязких жидкостей, включающий трубу, расположенную внутри прямоугольного кожуха с образованием зазора между ними, входную камеру, установленную со стороны входа в трубу, и выходную камеру, установленную со стороны выхода из нее, с термопарами, расположенными внутри камер, отличающийся тем, что стенки трубы выполнены плоскопараллельными, образующими канал для движения вязкой жидкости, причем верхняя и нижняя стенки канала снабжены выпуклостями, направленными внутрь канала и расположенными на расстоянии 4 одна от другой,где- расстояние между выпуклостями, - глубина выпуклости,при этом выпуклости, расположенные на верхней стенке, смещены относительно выпуклостей нижней стенки на величину 0,5,где- величина смещения выпуклостей, - ширина выпуклости у ее основания на стенке трубы входная камера снабжена неподвижно установленным соосно с ней сферическим упругим телом, заполненным газом, которое соединено с толкателем, связанным с механизмом привода возвратно-поступательного движения.(56) 1. Сидорович Т.В., Банков 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. М. Машиностроение, 1990. - С. 200. 3. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - М. Энергия, 1969. - С. 229. Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может найти применение в энергетике, пищевой промышленности и в других отраслях техники. Широкое распространение получили малогабаритные теплообменники, оснащенные короткими плоскими или цилиндрическими каналами 1. В таких теплообменниках чаще всего реализуется ламинарный или переходной режим течения, при котором перемешивания жидкости в канале практически не происходит, что затрудняет процесс переноса тепла от жидкости к стенкам канала. Проблема состоит в повышении теплогидравлической эффективности таких теплообменников, а следовательно, и в экономии энергоресурсов и материалов. Известен способ интенсификации теплообмена путем установки в канале ребер поперек потока жидкости, частично перекрывающих сечение канала 2. Недостатком такого способа является значительная потеря мощности на прокачку жидкости. Увеличение скорости движения жидкости также не дает существенного положительного эффекта, так как за время движения жидкости в коротком канале она не успевает передать требуемое количество тепла стенкам канала. Теплогидравлическая эффективность теплообменника определяется как отношение переданного жидкостью тепла стенкам канала к потерям мощности, необходимой для преодоления жидкостью гидравлического сопротивления канала, то есть обеспечения течения жидкости по каналу. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятым за прототип является теплообменник, который описан в 3. Указанный теплообменник содержит гладкостенную трубу, расположенную внутри прямоугольного кожуха с образованием зазора между ними. Входная камера присоединена к теплообменнику со стороны входа в трубу. Выходная камера установлена на выходе из трубы. Вязкая жидкость (например,масло) протекает через гладкостенную трубу, а в зазоре между трубой и кожухом движется охлаждающая жидкость (например, вода). Вязкая жидкость через стенки трубы отдает тепло охлаждающей жидкости. Количество тепла, отданного вязкой жидкостью стенкам трубы, зависит от таких факторов, как скорость ее движения, теплопроводность стенок и профиль поперечного сечения трубы. Недостатком такого теплообменника является 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 для вязких жидкостей включает трубу, расположенную внутри прямоугольного кожуха с образованием зазора между ними, входную камеру,установленную со стороны входа в трубу, и выходную камеру, установленную со стороны выхода из трубы, при этом в камерах установлены термопары. 2 90502013.02.28 Согласно предлагаемому техническому решению, стенки трубы выполнены плоскопараллельными с образованием между ними канала для протекания вязкой жидкости. Верхняя и нижняя стенки канала снабжены выпуклостями, направленными внутрь канала и расположенными на расстоянии 4 одна от другой, где- расстояние между выпуклостями,- глубина выпуклости. При этом выпуклости, размещенные на верхней стенке канала, смещены относительно выпуклостей на нижней стенке канала на величину 0,5, где- величина смещения выпуклостей,- ширина выпуклости у ее основания на стенке трубы. Входная камера снабжена неподвижно установленным соосно с ней сферическим упругим телом, заполненным газом, которое соединено с толкателем, связанным с механизмом привода возвратно-поступательного движения. Такое конструктивное исполнение теплообменника значительно увеличивает теплоотдачу вязкой жидкости стенкам трубы, что приводит к интенсификации теплообмена, а следовательно, и к повышению 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 показана выпуклость, расположенная на нижней стенке канала. Предлагаемый теплообменник (фиг. 1) состоит из трубы 1, выполненной в виде плоскопараллельных стенок, образующих канал для движения по нему вязкой жидкости(например, трансформаторного масла). Труба 1 помещена внутри прямоугольного кожуха 2 с образованием между ними зазора 3 для движения охлаждающей жидкости (например,воды) (фиг. 2). Входная камера 4 связана с каналом, образованным стенками трубы 1 со стороны входа в него, а на выходе канал, образованный стенками трубы 1, соединен с выходной камерой 5. Верхняя стенка 6 и нижняя стенка 7 канала трубы 1 снабжены выпуклостями 8, направленными внутрь канала. Глубина выпуклости - , ширина выпуклости 8 у ее основания на стенках 6, 7 трубы 1 - , а длина выпуклости -- равна расстоянию между торцевыми стенками 9 (фиг. 3). Расстояние между выпуклостями 8 на обеих стенках 6 и 7 составляет не менее 4. Выпуклости 8 на нижней стенке 7 канала смещены относительно выпуклостей 8 на верхней стенке 6 канала на длину 0,5, гдевеличина смещения выпуклостей 8, а- ширина выпуклости 8 у основания на стенках 6 и 7. Внутри входной камеры 4, соосно с продольной осью камеры 4, планками 10 неподвижно закреплено сферическое упругое тело 11 для создания колебаний жидкости, заполненное газом 12 и снабженное толкателем 13, связанное с механизмом привода возвратно-поступательного движения (на фиг. 1 не показан). Выпуклости 8, расположенные на стенках 6 и 7 канала, образуют зону 14 меньшего сечения в канале, чем сечение между гладкими стенками 6 и 7 этого канала. При движении жидкости внутри канала образуются зоны 15, которые расположены между боковой поверхностью выпуклостей 8 и нижней стенкой 7. Во входной камере 4 установлена термопара 16, а на выходе из канала - термопара 17 для измерения температуры вязкой жидкости на входе в канал и на выходе из канала. Теплообменник для вязких жидкостей работает следующим образом. Предварительно нагретую вязкую жидкость, например трансформаторное масло, подают во входную камеру 4. Жидкость обтекает сферическое упругое тело 11, заполненное газом 12, проходит по каналу между стенками 6 и 7, обтекая выпуклости 8, и поступает в выходную камеру 5. Одновременно в зазор 3 между трубой 1 и кожухом 2 подают охлаждающую жидкость, например воду, которая движется вдоль стенок 6 и 7 канала и выходит, например, в накопительную емкость (на фиг. 1 не показана). Поскольку температура вязкой жидкости, измеряемая термопарой 16, на входе в канал выше температуры охлаждающей жидкости и, соответственно, температуры стенок канала, то по ходу движения вязкой жидкости по каналу температура ее снижается. При натекании вязкой жидкости на выпуклости 8, расположенные на стенках канала 6 и 7, поток вязкой жидкости сужается в 3 90502013.02.28 зонах 14 вследствие уменьшения поперечного сечения канала трубы 1. Скорость потока при этом увеличивается (так как расход жидкости поддерживается постоянным). Изменение формы проходного сечения канала за счет несимметричного расположения выпуклостей обеспечивает больший (по меньшей мере, вдвое) рост входной скорости жидкости. Одновременно с помощью механизма привода возвратно-поступательного движения (на фиг. 1 не показан) производят периодическое надавливание толкателя 13 на сферическое упругое тело 11, которое неподвижно прикреплено планками 10 к внутренней поверхности входной камеры 4, что создает в вязкой жидкости пульсации давления. В зонах 15 происходит отрыв потока, который более эффективно реализуется при нестационарном режиме течения. Он стимулирует возникновение, распад и дробление вихрей жидкости с образованием вихревой дорожки в пристенной зоне 15 за выпуклостями 8, что приводит к опережающему росту конвективного теплообмена по сравнению с ростом гидравлического сопротивления. Температура вязкой жидкости на выходе из канала измеряется термопарой 17. Стационарный режим течения жидкости реализуется в гладкостенных каналах, а нестационарный режим - в том случае, когда внутри канала установлены перегородки, выполнены углубления или выпуклости. В качестве внешнего источника движения для толкателя 13 может быть, например,использован электродвигатель с регулируемым числом оборотов, на выходном валу которого закреплен кулачок (механизм привода возвратно-поступательного движения) для передачи импульса толкателю. Результаты численного исследования по оценке влияния пульсационного режима течения жидкости на энергоэффективность теплообменника с плоскопараллельными стенками предлагаемой конструкции показывают, что пульсационный (нестационарный) режим течения по сравнению со стационарным (то есть без пульсаций) повышает эффективность процесса теплообмена до 25 . Если выпуклости 8 располагают на стенках 6 и 7 одна напротив другой, без сдвига, то проходное сечение канала в зоне 14 значительно уменьшается, и в этом случае возрастают энергетические затраты на протекание жидкости по каналу. Если выпуклости 8 располагают на стенках 6 и 7 на расстоянии большем, чем 0,5,отрыва потока жидкости в зонах 15 не происходит, вследствие чего теплообмен между вязкой жидкостью и стенками канала заметно не возрастает. Расстояние между выпуклостями 8 на стенках 6 и 7 канала 4 обусловлено необходимостью стабилизации профиля скорости течения жидкости в промежутках между двумя соседними выпуклостями. Глубина выпуклостисоставляет 0 где- полуширина гладкой части канала, поскольку при меньшей глубине выпуклости отрыва потока, интенсифицирующего теплообмен в зонах 15, не происходит. Оптимальная частота колебаний жидкости, вызываемых периодическим нажатием толкателя на сферическое упругое тело, определяется теоретически, исходя из геометрических размеров теплообменника и физических свойств вязкой жидкости, или подбирается опытным путем. Таким образом, изменение формы проходного сечения канала, путем выполнения выпуклостей на верхней и нижней стенках канала, расположение их на определенном расстоянии, несимметричное расположение выпуклостей на стенках, а также воздействие пульсационных колебаний на вязкую жидкость обеспечивают повышение теплогидравлической эффективности теплообменника, что приводит к экономии энергоресурсов и материалов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5