-

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6424
(13) U
(46) 2010.08.30
(51) МПК (2009)
F 28D 11/00
(54) ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ
(21) Номер заявки: u 20091119
(22) 2009.12.31
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт тепло- и
массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Бела-
руси" (BY)
(72) Авторы: Сидорович Татьяна Викто-
ровна; Зновец Петр Кириллович; Глеб
Владимир Константинович; Германо-
вич Сергей Павлович; Байков Вален-
тин Иванович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт тепло-
и массообмена имени А.В.Лыкова
Национальной академии наук Белару-
си" (BY)
(57)
Теплообменник, включающий трубу, расположенную внутри прямоугольного кожуха
с образованием зазора между ними, входную камеру, связанную с трубой со стороны вхо-
да в нее, с размещенной в камере уравнительной решеткой и выходную камеру, разме-
щенную 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: L ≥ 10hп, где
L - расстояние между выемками, hп - 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.
Фиг. 1
BY6424U2010.08.30

2. BY 6424 U 2010.08.30
2
(56)
1. Сидорович Т.В., Байков В.И. Теплообмен в коротких цилиндрических каналах пе-
ременного проходного сечения с постоянной температурой стенки при ламинарном пуль-
сационном 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 устрой-
ствам, и может найти применение в энергетике, химической промышленности и в других
отраслях техники.
Важной задачей современной теплотехники является создание малогабаритных ком-
пактных теплообменников, теплообменный элемент которых состоит из коротких плоских
или цилиндрических каналов [1]. Такие теплообменники предназначены для охлаждения
вязких жидкостей, теплофизические свойства которых претерпевают значительные изме-
нения при нагреве или охлаждении. Например, слои вязких жидкостей, таких как транс-
форматорное масло, глицерин, сахарные растворы, протекающих в коротком канале в
условиях ламинарного режима, не перемешиваются, а двигаются параллельно стенкам ка-
нала, ограничивающим поток. Поэтому процесс теплообмена происходит в условиях од-
новременного развития гидродинамического и теплового пограничных слоев, причем
тепловые слои не успевают сомкнуться к выходному сечению канала.
Известны способы интенсификации процессов конвективного теплообмена, описан-
ные в книге "Интенсификация теплообмена в каналах" [2]. Так, например, увеличение по-
верхности теплообмена при заданных размерах теплообменного аппарата путем
размещения ребер на внутренних стенках канала для протекания; гидродинамическое воз-
действие на поток жидкости с целью изменения характера ее течения (переходный и тур-
булентный режимы течения); внешнее воздействие на физические свойства жидкости
путем применения электромагнитных или ультразвуковых полей. Все они находят приме-
нение 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 интен-
сификации теплообмена между жидкостью и стенками теплообменника, чем при лами-
нарном режиме движения. Для коротких теплообменников, предназначенных для
охлаждения или нагрева вязких жидкостей, у которых вязкость уменьшается при увеличе-
нии температуры, указанные способы интенсификации теплообмена не подходят. Напри-
мер, 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 ограни-
чено тем, что жидкость за время движения в коротком канале не успевает передать требу-
емое количество тепла стенкам канала; применение внешних электрических и магнитных
полей, воздействующих на теплоноситель, связано с усложнением конструкции и необхо-
димостью обеспечения дополнительных мер безопасности. Недостатком коротких тепло-
обменников является их низкая теплогидравлическая эффективность, определяемая как
отношение переданного жидкостью тепла стенкам канала к потерям мощности на преодо-
ление жидкостью гидравлического сопротивления канала, что ограничивает область при-
менения таких теплообменников.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятым за прототип
является теплообменник, который описан в книге "Экспериментальное исследование про-

3. BY 6424 U 2010.08.30
3
цессов теплообмена"[3]. Указанный теплообменник содержит гладкостенную трубу, рас-
положенную внутри прямоугольного кожуха с образованием зазора между ними. Входная
камера с размещенной в ней уравнительной решеткой обеспечивает равномерное распре-
деление скорости жидкости на входе и присоединена к теплообменнику со стороны входа
в трубу. Выходная камера установлена на выходе из трубы и гарантирует хорошее пере-
мешивание жидкости, поступающей из трубы, перед измерением ее температуры и по-
ступлением 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, прохо-
дит через уравнительную решетку, в результате чего скорость жидкости выравнивается по
входному сечению трубы. При движении вязкой жидкости по трубе она отдает тепло
охлаждающей жидкости (вода), которая движется в зазоре между трубой и кожухом. Та-
ким образом, при движении вязкой жидкости по трубе температура снижается, а вязкая
жидкость, отдав часть тепла, поступает в выходную камеру. При этом скорость охлажда-
ющей жидкости, циркулирующей в зазоре, выбирается для каждого технологического
процесса такой, чтобы температура стенки трубы, измеряемая с помощью термопар, прак-
тически 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 теплогидравличе-
ской 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 сто-
роны 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 плоскопа-
раллельными с образованием между ними канала, по которому протекает вязкая жид-
кость. Верхняя и нижняя стенки канала снабжены выемками обтекаемой формы,
направленными своей выпуклостью внутрь канала, причем расстояние между ними со-
ставляет: L ≥ 10 hп, где L - расстояние между выемками, hп - глубина выемки, а сами вы-
емки, расположенные на нижней стенке канала, смещены относительно выемок,
расположенных на верхней стенке канала, на величину, равную длине выемки у ее осно-
вания. 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 эф-
фективности от температуры для симметричного и несимметричного (со смещением) рас-
положения выемок на стенках канала.
Предлагаемый теплообменник состоит из трубы 1, выполненной в виде плоскопарал-
лельных 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-

4. BY 6424 U 2010.08.30
4
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 вы-
пуклостью 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 - Ls. Глубина выпуклости выемки - hп. Расстояние
между выемками 9 на обеих стенках 7 и 8 составляет не менее 10hп. Выемки 9 на нижней
стенке 8 канала смещены относительно выемок на верхней стенке 7 канала на величину,
равную длине самой выемки у ее основания - Ls. Теплообменник работает следующим
образом.
Предварительно нагретую вязкую жидкость, например трансформаторное масло, по-
дают во входную камеру 4, где с помощью уравнительной решетки 5 проходит выравни-
вание 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 кожу-
хом 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 (ука-
занные температуры определяют термопарами 10), то по ходу движения вязкой жидкости
по каналу температура ее снижается. При натекании вязкой жидкости на выемки 9, распо-
ложенные 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 се-
чение 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 ста-
билизируется до натекания на следующие две выемки 9. В зонах 11 возвратно-вихревого
течения вязкой жидкости происходит перестройка профиля скорости, поперечная состав-
ляющая скорости претерпевает значительные изменения, перемешивая жидкость и внося в
тепловой пограничный слой вихревую составляющую, тем самым интенсифицируя тепло-
обмен между вязкой жидкостью и стенками канала.
Если расстояние L между выемками 9 меньше 10 hп, 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 вы-
емок 9 относительно оси теплообменника, то гидравлическое сопротивление потоку зна-
чительно 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 термиче-
ского сопротивления малоподвижных рециркуляционных зон, образующихся в вязкой
жидкости вблизи рифленой поверхности. Для определения возможности образования зо-
ны обратного циркуляционного течения вязкой жидкости в зоне, расположенной за выем-
ками, 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 темпера-
турного напора и компонент скорости в поперечных сечениях каналов определялись
наличие и толщина вихревой зоны, длина вихря и индуцированных им завихрений в по-
граничном слое для каналов с гладкими стенками и каналов, на теплообменных стенках

5. BY 6424 U 2010.08.30
5
которых выемки выполнены симметрично и несимметрично. Результаты теоретико-
экспериментальных исследований показали, что скорость движения жидкости при сим-
метричном расположении выемок выше, чем при несимметричном расположении, что
приводит к увеличению передаваемого тепла. На графике фиг. 3 показано изменение от-
носительной теплогидравлической эффективности (отношение теплогидравлической
эффективности теплообменника, оснащенного выемками, к теплогидравлической эффек-
тивности гладкого канала таких же размеров) в зависимости от температуры жидкости на
входе в канал. Кривая 1 характеризует теплогидравлическую эффективность теплообмен-
ника с несимметричными выемками на стенках канала, кривая 2 с симметричными. При
температуре жидкости на входе в теплообменник, например, 60 °С превышение относи-
тельной теплогидравлической эффективности для теплообменников с несимметричным
расположением выемок составляет более 22 % по сравнению с теплообменником с сим-
метричным их расположением.
Таким образом, выполнение выемок на верхней и нижней стенках канала, располо-
женных на расстоянии, составляющем не менее десяти глубин этих выемок (10hп), 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.
Фиг. 2 Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.