Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
нове тепловых труб. В качестве примера на рис.3.318 показан один из возможных вариантов, модернизированных и исследованных авторами охладителей.
Охладитель представляет собой устройство на основе тепловых труб, концы которых запрессовываются в массивное основание, на котором с помощью специального прижимного устройства устанавливается охлаждаемый тиристор. Трубки снабжены конденсатором, состоящим из плоских ребер, на поверхность которых наносится рельеф со сферическими лунками. Ребра конденсатора обдуваются потоком воздуха. Охладитель для тиристоров мощностью 200-400 Вт имеет следующие параметры: габаритные размеры — 170х40х370 мм; диаметр тепловых труб – 16 мм; размеры ребер – 170х40 мм; число ребер – 60 мм; шаг оребрения – 7 мм.
Рис.3.318. Охладитель на основе оребренных тепловых труб со сферическими интенсифицирующими элементами
Рис.3.319. Зависимость теплового со-
противления охладителей, имеющих Рис.3.320. Система охлаждения тепло- ребра с разной степенью "облунения" нагруженных электронных устройств
(в %): 1 – 25%; 2 – 75%; 3 – 50%
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи
вканалах теплообменного оборудования
Вработе [149] показано, что увеличение площади, занимаемой сферическими выемками на ребрах, до 50% уменьшают термическое сопротивление системы отвода теплоты от полупроводниковых приборов на 13% по сравнению с гладкими ребрами (рис.3.319).
Подобные системы охлаждения электронных устройств (рис.3.320) описаны также в работе [150].
3.4.2.Описание теплообменных аппаратов
споверхностной интенсификацией теплообмена
Проведенный анализ литературы показал, что сегодня наиболее перспективны теплообменные аппараты с поверхностной интенсификацией теплоотдачи, разборные, пластинчатого типа.
Для создания прототипа данного теплообменного аппарата была разработана и создана оснастка, позволяющая производить штампованные пластины со сфероидальными элементами. На рис.3.321 и 3.322 показан штамп для производства таких пластин. Штамп состоит из 5 элементов – нижней гладкой пла- стины-основы 1, верхней прижимной рельефной пластины 2, шариков для создания рельефа 3, промежуточной пластины-держателя 4, служащей также для создания необходимой глубины выштамповки, направляющих шпилек, расположенных на пластине 2.
Рис.3.321. Штамп для производства пластин со сфероидальными элементами.
Штамп рассчитан на использование шариков диаметром Dш =10 мм. С помощью набора сменных промежуточных пластин можно варьировать глубину выемок – от 0,1Dш до 0,5Dш. На рис.3.321 и 3.322 показан случай шахматного расположения шариков. С помощью шариков (их установки или изъятия из отдельных ячеек) можно достичь различного рисунка выштамповки при заданном типе рельефа.
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
Рис.3.322. Элементы штампа для производства пластин со сфероидальными элементами: 1 – верхняя рельефная прижимная платина с направляющими шпильками, 2 – нижняя пластина основа с шариками в промежуточной пласти- не-держателе.
Перед началом создания теплообменного аппарата были сделаны тестовые пластины из различного материала. Показано, что на штампе можно изготавливать рельефные пластины из нержавеющей стали (рис.3.323), меди, латуни (рис.3.324), алюминия. При этом качество выштамповок показано на рис.3.325. Видно, что получаются сфероидальными элементы со скругленными кромками.
Рис.3.323. Пластина из нержавеющей стали после штамповки
Рис.3.324. Пластина из латуни после штамповки
Рис.3.325. Срез пластины из латуни после штамповки (разрез сферических выемок/выступов со скругленными кромками)
Рис.3.326. Вид пластин с выступами/выемками под обрезки под размер теплообменного элемента
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
После производства пластин их обрезают по размеру. Для изготовления теплообменника в качестве материала штампованных пластин выбрана нержавеющая сталь. Пластины для производства прототипа теплообменного аппарата показаны на рис.3.326. Хорошо видно высокое качество нанесения выемоквыступов на пластины на описанном штампе.
Рис.3.327. Схема теплообменной матрицы кожухопластинчатого теплообменного аппарата со сферичесими выемками/выступами
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
Изготовление элементов прототипа теплообменного аппарата производилось согласно эскизу, приведенному на рис.3.327. Было изготовлено 12 пластин (6 правых и 6 левых) с рельефом в виде сферических выемок/выступов с глубиной/высотой h=0,3Dш. Толщина пластин составляет 0,2 мм. Материал – нержавеющая сталь. Виды изготовленных правых и левых пластин приведены на рис.3.328.
Рис.3.328. Вид пластин с выступами/выемками перед сборкой теплообменного элемента
При изготовлении прототипа рассматривались 2 варианта взаимного расположения пластин. Было решено, что пластины будут свариваться по две выступами друг напротив друга, для организации канала для одного из теплоносителей. В этом случае этот канал получался неразборным для механической очистки теплообменных поверхностей. По варианту №1 (рис.3.327 и 3.329) выступами могут соприкасаться друг с другом и для обеспечения прочности конструкции при повышенных давлениях свариваться точечной сваркой по дну выемок. Однако такая конструкция широко используется за рубежом и гидросопротивление каналов с получаемыми «столбиками» сложной формы повышенное. Для уменьшения гидросопротивления и реализации именно поверхно-
|
стной |
интенсификации |
|
теплообмена было ре- |
|
шено |
располагать |
вы- |
|
ступы |
на |
некотором |
Рис.3.329. Пример сопряжения двух пластин со |
расстоянии друг от дру- |
га реализовать вариант |
сферическими интенсификаторами (схема «выступ |
№2 (рис.3.327). |
|
на выступ») |
Для |
этого |
изго- |
|
товлен набор из 6 |
про- |
ставок, которые позволяют создавать требуемое расстояние меду пластинами с выступами. Было решено также что, количество элементов в теплообменнике будет 6. Движение теплоносителя в каждом элементе будет сложным, для чего в матрице предусмотрены 3 перегородки, тем самым будет создаваться 4-
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
кратный перекрестный поток теплоносителей с общим противотоком в каждом ходе внешнего теплоносителя. Вид проставок с перегородками показа на рис.3.330. Для соединения пластин и поставок использовалась аргонная сварка по контуру пластин и точечная сварка между пластинами и перегородками
(рис.3.331).
Рис.3.330. Корпусные детали с перегородками теплообменного элемента
|
В итоге получено 6 теплообменных эле- |
|
ментов, внутри которых располагались высту- |
|
пы на некотором расстоянии друг от друга и |
|
реализовалось сложное течение теплоносите- |
|
ля, а снаружи на пластине получались выемки |
|
(рис.3.332). |
|
Эскиз всего теплообменного аппарата |
|
приведен на рис.3.333. По эскизу видно, что |
Рис.3.331. Сборка теплооб- |
все полученные 6 элементов должны крепить- |
ся к крышке теплообменника. При этом при |
менного элемента с гладкими |
креплении организовывается течение, что теп- |
стенками |
лоноситель всегда протекает параллельно по |
|
двум теплообменным элементам, за счет установки в подводящем/отводящем патрубке, приваренных на внешней стороне крышки, соответствующих перемычек.
Рис.3.332. Теплообменные (сварные пластинчатые) элементы
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
Это создает сложное течение теплоносителя (рис.3.334), увеличивает длину пути теплоносителя, увеличивает его скорость, уменьшает гидравлические диаметры, тем самым увеличивая тепловую эффективность теплообменного аппарата.
За счет того, что все основные элементы крепятся на крышке, то это позволяет в одном корпусе за счет смены крышки с различными теплообменными элементами производить сравнительные испытания. Это было реализовано в данном исследовании. Для сравнительных испытаний изготовлены 2 крышки с рельефной и гладкостенной теплообменными матрицами.
Рис.3.333. Эскиз кожухоплатинчатого теплообменного аппарата
Рис.3.334. Схема течения теплоносителей в разработанном кожухоплатинчатом теплообменном аппарате
На рис.3.335 показана изготовленная крышка теплообменника с теплообменной матрицей. Хорошо видны взаимное расположение пластин и подводящий/отводящий патрубки и перемычки в нем.
Как указывалось выше для проведения сравнительных испытаний изготовлена крышка теплообменника с гладкостенной теплообменной матрицей. Они показаны на рис.3.336. Внешний вид корпуса для обоих теплообменных матриц представлен на рис.3.337.
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
Рис.3.335. Крышка теплообменника с теплообменной матрицей
Рис.3.336. Крышка теплообменника с гладкостенной теплообменной матрицей
Рис.3.337. Внешний вид корпуса для обоих теплообменных матриц
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
Внешний вид прототипа теплообменного аппарата со сферическими выемками представлен на рис.3.338. Для герметичности конструкции и исключения перетечек между камерами в корпусе используется резиновая прокладка между корпусом и крышкой по всей площади крышки теплообменника. Теплообменник может устанавливаться при работе как горизонтально, так и вертикально (рис.3.339).
Рис.3.338. Внешний вид прототипа теплообменного аппарата со сферическими выемками
Прототип теплообменника создан для сравнительных испытаний на различных парах теплоносителей (жидкость-жидкость, жидкость-газ, газ-газ), поэтому отличается универсальность (разборный, сменная теплообменная матрица). В нем использованы сферические выемки/выступы относительно «глубокие», обеспечивающие максимальную теплоотдачу, что необходимо для повышения точности измерений. Оптимизация конструкции прототипа теплообменного аппарата – задача для дальнейших исследований на основе полученных на данном прототипе опытных данных по теплогидравлическим характеристикам.
Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования
Прототип представляет интерес в первую очередь для коммунальных теплоэнергетических служб как подогреватель воды горячего водоснабжении, водоподогреватель сетевой воды, котел-утилизатор теплоты уходящих дымовых газов и т.д. Для отраслей промышленности он представляет интерес как подогреватель рабочих газообразных и жидких теплоносителей.
Рис.3.339. Внешний вид прототипа теплообменного аппарата со сферическими выемками (вертикальная ориентация)
Прототип теплообменника создан и с тем расчетом, что крышка теплообменника в снятом состоянии представляет собой теплообменный элемент, который может испытываться отдельно при реализации свободноконвективного течения внешнего теплоносителя (рис.3.339). Такие виды течения реализуются в дымоходах энергетических и технологических установок (котлы, печи) и требуют минимального гидравлического сопротивления теплообменных поверхностей и значительной теплоотдачи для уменьшения теплообменных поверхностей. Кроме этого он может использоваться как опускной теплообменный эле- мент-подогреватель в гальванические ванны и прочие технологические сосуды.
Отметим, что для практического использования требуется оптимизация конструкции и элементов интенсификации теплоотдачи.
3.4.3. Результаты исследования теплогидравлических характеристик интенсифицированных теплообменных аппаратов
со сферическими выемками
Ниже приведены результаты испытаний теплообменника при использовании в качестве теплоносителя холодного воздуха в канале с выступами и горячего воздуха в межканальном пространстве с выемками (рис.3.340). Диапазон
