CN100406091C - 一种作为管内插件、用于强化传热的低阻力的中空立交盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作为管内插件、用于强化传热的低阻力的中空立交盘。所述中空立交盘由2n(n为大于或等于2的偶数)个空间曲面薄片依次顶顶相连底底相连并首尾环接构成，中空立交盘将管截面分为中央区和周边区，流体流经中空立交盘时2n个空间曲面薄片引导周边区流体和部分中央区流体交叉换位，彻底剥除边界层，以很低的阻力代价获取甚高的传热强化比。该中空立交盘可用于强化湍流条件下流体传热如改善乙烯裂解炉工况，亦可用于流体混合。

Description

一种作为管内插件、用于强化传热的低阻力的中空立交盘

技术领域

本发明涉及传热设备领域，具体地说涉及一种作为管内插件、用于强化传热的低阻力的中空立交盘。

背景技术

强化传热是工业装置降低能耗、提高效率的重要途径，管内插件则是强化传热的主要措施之一，数十年来，国内外研究者甚众。目前，已有螺旋线圈、螺旋片、螺旋弹簧、网式或金属丝填料、螺旋刷、绕花丝、MC扰流子、静态混合器、片条插入物、斜插片、扭带、错开扭带、间隔扭带、交叉锯齿带、梯形插入物等名目繁多的管内插件投入工业运行或见于文献报导，钱颂文等在化学工业出版社2003年4月出版的《管式换热器强化传热技术》一书中已作系统介绍。内插件在强化管内传热的同时无可避免地会增加流体阻力。定义总体强化比为

。式中，N_u为加内插件的努赛尔数，N_u0为空管努赛尔数，N_u/N_u0为传热强化比；f为加内插件的摩擦系数，f₀为空管摩擦系数，f/f₀为摩擦因子代价。研究强化传热技术的目的是提高总体强化比，即以较低的摩擦因子代价获取较高的传热强化比。

根据传热理论，管内传热的阻力主要集中在管壁周围的环形边界层，提高传热强化比最有效的办法是引导流体沿特定路径流动，及时剥除边界层。为提高总体强化比，应将摩擦因子代价集中用于剥除边界层。解析现有管内插件流动特征，发现它们或是剥除边界层功能较弱，或是摩擦因子代价有较多部分消耗在剥除边界层以外的流场变化。

中国专利ZL03156621.9公开了“一种管、筒或塔内构件立交盘”技术。立交盘将管截面分为中央区和周边区，盘上设若干相间的中央区至周边区和周边区至中央区的通道，引导中央区和周边区流体交叉换位，宛如立交桥般，绝无死角。换位过程，管壁边界层被强制、彻底、深度剥除。立交盘用于层流状况下流体传热，如聚合物加热或冷却，传热强化比高，摩擦因子代价小，可获得很高的总体强化比。但在湍流状况下立交盘阻力偏大，应用受限制；湍流状态下，中央区域内流体凭湍动已获充分混合，仅在近管壁薄环区域边界层内存在明显的径向速度梯度和温度梯度，只需将此薄环区域边界层内流体剥除送至中央区，将部分中央区流体置换至薄环区域边界层即可有效强化传热。此时，原薄环区域边界层流体进入中央区位置离圆心远近或被置换进薄环区域边界层的流体原处位置离圆心远近均无关紧要，因中央区域内任意质点状态基本相同。据此推论，湍流状态下提高强化传热比不必强调中央区和周边区流体整体换位，只需实现薄环区域边界层和部分中央区流体换位。

发明内容

本发明目的在于进一步改进ZL03156621.9专利技术，既保留了原立交盘传热强化比高的特点，又大幅降低摩擦因子代价，成为一种作为管内插件、用于强化传热的低阻力的中空立交盘。

本发明提供的一种作为管内插件、用于强化传热的低阻力的中空立交盘(简称中空立交盘)，其特征在于由2n个空间曲面薄片顶顶相连底底相连并首尾环接构成。所述2n个空间曲面由A₁、A₂、…、A_i、…A_n-1、A_n、B₁、B₂、…、B_i、…、B_n-1、B_n和a₁、a₂、…、a_i、…、a_n-1、a_n、b₁、b₂、…、b_i、…、b_n-1、b_n共4n个点连成，其中A₁、A₂…、A_i、…A_n-1、A_n和B₁、B₂、…、B_i、…、B_n-1、B_n共2n个点分布在半径为R的圆柱面上，R等于容纳中空立交盘的管内径；a₁、a₂…、a_i、…、a_n-1、a_n、b₁、b₂、…、b_i、…、b_n-1、b_n共2n个点分布在半径为r的圆柱面上，R和r的差值即为边界层剥离深度。其中n为等于或大于2的偶数，管径越大，n值越高(如图1中n＝12)。i序列的点坐标为

$\left\{\begin{array}{c}x\left(A_i\right)=R\cos \frac{i-1}{n}\mathrm{\π}\\ y\left(A_i\right)=R\sin \frac{i-1}{n}\mathrm{\π}\\ z\left(A_i\right)=\frac{H}{2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x\left(B_i\right)=R\cos \frac{2i-1}{2n}\mathrm{\π}\\ y\left(B_i\right)=R\sin \frac{2i-1}{2n}\mathrm{\π}\\ z\left(B_i\right)=-\frac{H}{2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x\left(a_i\right)=r\cos \frac{i-1}{n}\mathrm{\π}\\ y\left(a_i\right)=r\sin \frac{i-1}{n}\mathrm{\π}\\ z\left(a_i\right)=\frac{h}{2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x\left(b_i\right)=r\cos \frac{2i-1}{2n}\mathrm{\π}\\ y\left(b_i\right)=r\sin \frac{2i-1}{2n}\mathrm{\π}\\ z\left(b_i\right)=-\frac{h}{2}\end{array}\right.$

式中H为中空立交盘外缘高度，h为中空立交盘内缘高度，h＞H。

在外圆柱面上，顺序连接A₁、B₁、A₂、B₂、…A_i、B_i、…A_n-1、B_n-1、A_n、B_n、A₁各点，形成封闭的空间曲线如曲线段A_iB_i、B_iA_i+1；在内圆柱面上，顺序连接a₁、b₁、a₂、b₂、…a_i、b_i、…a_n-1、b_n-1、a_n、b_n、a₁各点，形成封闭的空间曲线如曲线段a_ib_i、b_ia_i+1。空间曲线段A_iB_i、B_iA_i+1和a_ib_i、b_ia_i+1通常为圆柱螺旋线段或其它形状。将两封闭空间曲线各对应段连成空间曲面，如A_iB_i和a_ib_i连成曲面A_ia_ib_iB_i，A_iB_i是曲面外缘，a_ib_i是曲面内缘，A_ia_i是曲面顶端，B_ib_i是曲面底端；B_iA_i+1和b_ia_i+1连成曲面B_ib_ia_i+1A_i+1，B_iA_i+1是曲面外缘，b_ia_i+1是曲面内缘，B_ib_i是曲面底端，A_i+1a_i+1是曲面顶端。曲面B_ib_ia_i+1A_i+1和曲面a_i+1A_i+1B_i+1b_i+1组成下开口通道，曲面A_ia_ib_iB_i和曲面b_iB_iA_i+1a_i+1组成上开口通道。这样，2n个空间曲面薄片顶顶(或底底)相连、首尾环接，构成本发明中空立交盘。

空间曲线段a_ib_i和b_ia_i+1亦可为另一种形式，即在a_ib_i间设c_id_i两点，a_ic_i和b_id_i为和A_iB_i等螺旋角的圆柱螺旋线段，c_id_i为圆柱母线段。在A_iB_i取中点M_i，A_iB_i和a_ib_i连成曲面A_ia_ic_iM_i、平面c_iM_id_i和曲面M_id_ib_iB_i；在b_ia_i+1间设e_if_i两点，曲线b_ie_i和f_ia_i+1为与B_iA_i+1等螺旋角的圆柱螺旋线段，e_if_i为圆柱母线段。在B_iA_i+1取中点N_i，a_i+1b_i和B_iA_i+1连成曲面B_ib_ie_iN_i、平面e_iN_if_i和曲面N_if_ia_i+1A_i+1(如图5n＝8)。

组成立交盘的2n个空间曲面薄片顶端A_ia_i和底端B_ib_i也可呈圆弧状。

本发明提供的中空立交盘采用金属材料冲压后焊接或铸造制成，中空立交盘与管子的装配可用：(1)焊接；(2)先将管子加热后或将盘冷却后再将盘装入，待温度平衡后形成过盈配合；(3)多块中空立交盘盘面开孔或缺口，用细条杆穿过孔或缺口焊接固定，连成一串后装入管内；(4)盘和管整体铸造。采用铸造方法时，可将盘外缘加厚，内缘减薄。

流体流过装有中空立交盘的管子时，中空立交盘将管截面分为r内圆和r-R外环两个区域。设流体从B(b)端流向A(a)端，原处r-R外环区域流体受2n个曲面薄片阻挡，改变流动方向，穿过由曲面B_ib_ia_i+1A_i+1和曲面a_i+1A_i+1B_i+1b_i+1组成下开口通道流进r内圆区域；原处内圆区域流体一部分继续在内圆区域流动，另一部分则穿过曲面A_ia_ib_iB_i和曲面b_iB_iA_i+1a_i+1组成上开口通道填补r-R外环区域，实现r-R外环区域流体和部分r内圆区域流体交叉换位，大幅提高传热强化比。因

值很小，摩擦因子代价甚微，从而获得十分高的总体强化比。

附图说明：

图1中空立交盘结构示意透视图

图2中空立交盘结构示意俯视图

图3中空立交盘结构示意剖视图

图4相邻两曲面相交顶端和底端呈圆弧状中空立交盘及外管透视图

图5是空间曲线的a_ib_i和b_ia_i+1为另一种形式的中空立交盘透视图

实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明保护范围并不限于下列实施例。

实施例：

图4所示中空立交盘，R＝30mm，r＝25mm，H＝13.6mm，h＝30.9mm外缘厚3mm，内缘厚1.5mm，n＝12，相邻两曲面相交顶端和底端制成圆弧状，采用和管子整体铸造加工工艺，该中空立交盘装于石油裂解炉炉管内，可提高装置能力，增加乙烯得率，延缓管内结焦。

Claims (3)

1.一种作为管内插件、用于强化传热的低阻力的中空立交盘，其特征在于由2n个空间曲面薄片依次顶顶相连、底底相连、并首尾环接构成，所述2n个空间曲面由A₁、A₂、…、A₁、…A_n-1、A_n、B₁、B₂、…、B₁、…、B_n-1、B_n和a₁、a₂、…、a₁、…、a_n-1、a_n、b₁、b₂、…、b₁、…、b_n-1、b_n共4n个点连成，其中A₁、A₂…、A₁、…A_n-1、A_n和B₁、B₂、…、B₁、…、B_n-1、B_n共2n个点分布在半径为R的圆柱面上，R等于容纳中空立交盘的管内径；a₁、a₂、…、a₁、…、a_n-1、a_n、b₁、b₂、…、b₁、…、b_n-1、b_n共2n个点分布在半径为r的圆柱面上，R和r的差值即为边界层剥离深度；其中n为等于或大于2的偶数；i序列的点坐标为

$\left\{\begin{array}{c}x\left(A_i\right)=R\cos \frac{i-1}{n}\mathrm{\π}\\ y\left(A_i\right)=R\sin \frac{i-1}{n}\mathrm{\π}\\ z\left(A_i\right)=\frac{H}{2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x\left(B_i\right)=R\cos \frac{2i-1}{2n}\mathrm{\π}\\ y\left(B_i\right)=R\sin \frac{2i-1}{2n}\mathrm{\π}\\ z\left(B_i\right)=-\frac{H}{2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x\left(a_i\right)=r\cos \frac{i-1}{n}\mathrm{\π}\\ y\left(a_i\right)=r\sin \frac{i-1}{n}\mathrm{\π}\\ z\left(a_i\right)=\frac{h}{2}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}x\left(b_i\right)=r\cos \frac{2i-1}{2n}\mathrm{\π}\\ y\left(b_i\right)=r\sin \frac{2i-1}{2n}\mathrm{\π}\\ z\left(b_i\right)=-\frac{h}{2}\end{array}\right.$

式中H为中空立交盘外缘高度，h为中空立交盘内缘高度，h＞H；

在外圆柱面上，顺序连接A₁、B₁、A₂、B₂、…A₁、B₁、…A_n-1、B_n-1、A_n、B_n、A₁各点，形成封闭的空间曲线；在内圆柱面上，顺序连接a₁、b₁、a₂、b₂、…a₁、b₁、…a_n-1、b_n-1、a_n、b_n、a₁各点，形成封闭的空间曲线；空间曲线段A₁B₁、B₁A₁₊₁和a₁b₁、b₁a₁₊₁为圆柱螺旋线段或其它形状；将两封闭空间曲线各对应段连成空间曲面，A₁B₁和a₁b₁连成曲面A₁a₁b₁B₁，A₁B₁是曲面外缘，a₁b₁是曲面内缘，A₁a₁是曲面顶端，B₁b₁是曲面底端；B₁A₁₊₁和b₁a₁₊₁连成曲面B₁b₁a₁₊₁A₁₊₁，B₁A₁₊₁是曲面外缘，b₁a₁₊₁是曲面内缘，B₁b₁是曲面底端，A₁₊₁a₁₊₁是曲面顶端；曲面B₁b₁a₁₊₁A₁₊₁和曲面a₁₊₁A₁₊₁B₁₊₁b₁₊₁组成下端开口通道，曲面A₁a₁b₁B₁和曲面b₁B₁A₁₊₁a₁₊₁组成上端开口通道。

2.根据权利要求1的中空立交盘，其特征在于在a₁b₁间设c₁d₁两点，a₁c₁和b₁d₁为和A₁B₁的等螺旋角的圆柱螺旋线段，c₁d₁为圆柱母线段；在A₁B₁取中点M₁，A₁B₁和a₁b₁连成曲面A₁a₁c₁M₁、平面c₁M₁d₁和曲面M₁d₁b₁B₁；在b₁a₁₊₁间设e₁f₁两点，曲线b₁e₁和f₁a₁₊₁为与B₁A₁₊₁等螺旋角的圆柱螺旋线段，e₁f₁为圆柱母线段；在B₁A₁₊₁取中点N₁，a_ib₁和B₁A₁₊₁连成曲面B₁b₁e₁N₁、平面e₁N₁f₁和曲面N₁f₁a₁₊₁A₁₊₁；构成空间曲线段a₁b₁和b₁a₁₊₁的另一种形式。

3.根据权利要求1或2的中空立交盘，其特征在于相邻两曲面互连的顶端和底端呈圆弧状。

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