CN101201228A - 一种强化对流传热传质整体式内翅管结构 - Google Patents

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赵钦新
贾晓琳
张蕾
康子晋
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element

Abstract

本发明公开了一种强化传热传质的整体式内翅管换热单元结构，由主体母管和在主体母管的内部沿中心线轴向对称均匀分布有不等高翅片构成，不等高翅片的翅顶为半圆柱形，且翅片两侧与翅顶相切，翅根为圆弧相切。其翅片完全避免了内翅与母管之间产生接触热阻；内翅管的翅化比大于3.0，增加了换热面积；翅片对管内流体具有极强的扰动作用，同时管内流体被分割成温度相对均匀的流动空间，在具有凝结相变换热的场合，不仅增加凝结换热的壁面，而且翅顶直接插入主流温度区，完全破坏了无翅片光管的径向温度分布模式，极大地减薄了不凝结气体边界层厚度，主流中凝结相只要穿过较薄的不凝性气体边界层即可在翅片壁面上发生凝结换热，显著增强了潜热对流换热系数。

Description

一种强化对流传热传质整体式内翅管结构
技术领域
本发明属于传热学的工程应用技术领域，涉及一种换热器单元结构，特别是一种强化对流传热传质整体式内翅管。
背景技术
换热器在国民经济的各行业有着广泛的应用，是化工、冶金、石油、能源动力、轻工、食品乃至航空航天等行业中最常见的设备之一。它不仅是保证工艺流程和条件所广泛使用的设备，而且也是开发二次能源，实现热回收节约能源消耗的重要设备。据统计，热电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则换热器的投资约占整个电厂总投资的70％左右。在一般石油化工企业中，换热器的投资要占全部投资的40％～50％；在现代石油化工企业中约占30％～40％。在制冷机中蒸发器的质量要占制冷机总质量的30％～40％；其动力消耗约占总值的20％～30％。在以氟里昂为制冷剂的现代水冷单机组制冷机中，蒸发器和凝结器的质量约占总质量的70％。
由此可见，换热器的合理设计、运转和改进对于节省资金、能源、金属和空间而言是十分重要的。
翅片管换热器属于间壁式换热器，其翅片结构和种类繁多。翅片(又称肋片)是翅片管换热器中最主要的换热元件，翅片管换热器大大地增加了换热面积，强化了传热，与光管相比传热系数可以提高2倍以上。换热器换热面的扩展方面的研究意义在于将换热管内外表面轧制成各种不同的表面形状，可以同时扩大管内、管外的有效传热面积从而强化传热，并使管内、管外流体同时产生湍流，提高传热管的性能。
内展翅片换热器是针对气(汽)～液工况热交换介质的传热性能，通过在换热管内加装翅片来强化管内低换热系数介质的对流换热，达到提高换热系统整体传热系数的目的，从而有效地解决了因为热交换介质换热系数差距较大造成的热不平衡问题，并且大幅度的降低了冷却水的消耗量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种强化对流传热传质的整体式内翅换热管。它采用了轴对称均匀分布的整体式不等高翅片米强化换热。该整体式内翅换热管的结构由主体母管和在主体母管的内部沿中心线轴向对称均匀分布有不等高翅片构成，翅片的翅顶为半圆柱形，且翅片两侧与翅顶相切，翅根也为圆弧相切。
该结构的强化对流传热传质的整体式内翅换热管，其整体式内翅设计完全避免了内翅与母管之间产生接触热阻；高翅的设计极大的增加了换热面积；管内流体被分割成不同流动空间，增强了显热对流换热系数；采用高翅的结构，在具有凝结相变换热的场合，不仅增加凝结换热的壁面，而且翅片直接插入主流温度区，完全破坏了无翅片光管的径向温度分布模式，极大地减薄了不凝结气体边界层厚度，主流中凝结相只要穿过较薄的不凝性气体边界层即可在翅顶壁面上发生凝结换热，显著地增大了潜热对流换热系数。
附图说明
图1是本发明的强化对流传热传质的整体式内翅换热管换热单元结构图；
图2是内翅管横截面的温度场分布图；
图3内翅管纵剖面的温度场分布图；
图4是试验段内翅管实物图。
以下结合附图和计算及试验结果对本发明的性能作进一步的说明。
具体实施方式
参见图1，本发明的强化传热传质的整体式内翅换热管，包括一主体母管1，在主体母管1的内部沿中心线轴对称均匀分布有不等高翅片2，不等高翅片2的翅顶为半圆柱形，且翅片两侧与翅顶相切，翅根也为圆弧相切。该结构区别于任何径向分布的内翅管，任何径向的内翅管无法实现主流区的温度场的均匀化，均存在高温集中区域；
主体母管1的形状为圆形或椭圆形或腰圆形或矩形。
其加工工艺可采用分体铸造和整体对焊技术制成，材料可以根据实际需求选用铸铁、铸钢、铸铝、铸铝硅合金等金属材料以及使用以上各种材料后为获得某种异于基体材料的特殊表面性能(如耐磨性、耐蚀性、耐热性等)而进行的各种表面工程技术(表面喷涂技术、表面改性技术和表面涂蚀技术)而形成的结构实体。
本发明的换热器的强化传热传质整体式内翅换热管，也可作为芯管而制成复合管。和主体母管1成为整体的不等高翅片2本身可作为承受压力的换热管，也可以作为整体单元通过过盈配合插入其他要求特殊服役条件的母管中进行换热，如铸铝或者铸铝硅合金可承受烟气的冷凝液的弱酸腐蚀(pH＝4.5-6)，但不能承受氯离子(Cl-)腐蚀，因此，当液体侧含有氯离子时，需要含2.5％Mo的316(16％Cr12％Ni)不锈钢管作为主体母管，铸铝或铸铝硅合金制成的内翅管作为强化传热传质单元进行复合形成复合管；而在强腐蚀酸的环境中母管可能还要采用的310(25％Cr20％Ni)不锈钢以及含有更高Cr、Ni的高铬高镍合金如Cr30A(23％Cr43％Ni6％W)等。
尽管在试验室中能够采用电火花放电的线切割特种加工方法获得整体式内翅管，但制造成本较高，为实现规模化工业应用，整体式内翅换热管应选用铸造或铸造-焊接成形方法制成。
性能分析：
由图1可知，通过不等高翅片2的分割作用，将高温气体分隔成极薄的薄层，管中的不等高内翅片2的每个翅体都可以最大限度的深入气体主流内部进行换热。该不等高内翅片2的显热对流换热的增强主要是从以下三个方面实现的：
(1)附图所示的不等高翅片2的翅数为10的内翅管，其翅化比为3.38，极大地增加了换热面积。
(2)内翅对于管内的气体流动具有极强的扰动作用，管内流体被分割成温度相对均匀的流动空间，极大地增强了显热对流换热系数。
(3)采用插入式内翅时，内翅与母管之间存在很大的接触热阻，而整体式内翅设计完全避免了内翅与母管之间产生接触热阻；
对该型式的换热器的气(汽)——液传热过程进行数值模拟，数值模拟的计算结果表明：换热器内部流体基本上不存在温度集中的高温区，温度场分布均匀，换热效果良好，参见图2和图3。
此外，该内翅管换热器对天然气(烟气中含有20％的可凝结性的水蒸气)锅炉的烟气进行的冷凝换热的试验分析。本试验所采用的内翅管实物图如图4所示，具体结构尺寸可参见表1。
表1试验段内翅管结构参数
    名称     单位     数据     备注
    翅数     10     轴对称
    单翅根部厚度     Mm     4
    单翅顶部厚度     mm     2
    翅节距     mm     6
    内翅管内径     mm     34
    内翅管外径     mm     40
    两排翅间距离     mm     2
    翅一长度     mm     16     0.94R
    翅二长度     mm     15     0.88R
    翅三长度     mm     11     0.65R
    翅片管当量直径     mm     10.05
    翅化比     3.38
不等高翅强化冷凝的机理是从以下四个方面实现的：
(1)通过翅的分割作用，将高温烟气分成薄层，极大地减薄了不凝性气体边界层厚度，显著削弱了不凝性气体边界层对水蒸气的冷凝的阻碍。烟气主流中的水蒸气只要穿过较薄的不凝性气体边界层即可在翅片壁面上发生凝结。因此通过单个翅体的深入，以及所有内翅的分割这两种方式的作用，不凝性气体边界层对烟气中水蒸气的冷凝的阻力被降低到最小。
(2)采用高翅的结构，翅片直接插入烟气主流温度区，完全破坏了无翅片光管的径向温度分布模式，有效地减小了从烟气主流到壁面的径向温度梯度。内翅分割出的每个薄层中，又只有空间对称线上的烟气温度较高，空间两侧贴近翅壁面上的温度都低于水蒸气的饱和温度。低温翅体壁面为水蒸气的凝结提供了足够的温差动力。
(3)管内紧凑排列的不等高内翅为两翅空间的水蒸气提供了充足的可以凝结的附着壁面，由于翅体始终保持低于水蒸气的露点温度，所以凝结的水蒸气不会发生二次蒸发的情况。
(4)在具有凝结相变换热的场合，可将内翅管垂直布置，冷凝附着在翅体以及管壁上的冷凝液可以通过重力以及烟气冲刷的作用及时排出，冷凝液在壁面上的流动进一步拉薄了液膜厚度，减小了液膜的传热和传质阻力，使冷凝换热进一步增强。
在实验范围内，烟气中水蒸气的冷凝率在1.1％～45.4％之间，潜热份额在0.4％～27％之间，潜热和显热换热在同一数量级，以显热对流换热为主。显热对流换热系数在106～121W/(m2·K)之间，利用公式计算得到对流冷凝换热系数在127～289W/(m2·K)之间。
运用数值模拟计算结果和试验研究获得的换热准则方程可将主体圆管的母管推广到椭圆形或腰圆形或矩形的主体母管结构。

Claims (4)

1.一种强化对流传热传质整体式内翅管换热单元结构，其特征在于，它由主体母管(1)和在主体母管(1)的内部沿中心线轴向对称均匀分布行不等高翅片(2)构成，翅片截面形状为梯形，翅根厚度高于翅顶，不等高翅片(2)的翅顶为半圆柱形，且翅片两侧与翅顶相切，翅根也为圆弧相切。
2.如权利要求1所述的强化对流传热传质整体式内翅管，其特征在于，所述的主体母管(1)的形状为圆柱形，椭圆形，腰圆形或矩形。
3.如权利要求1所述的强化对流传热传质整体式内翅管，其特征在于，所述的主体母管(1)选用整体铸造或分体铸造然后焊接成形。
4.如权利要求1或2或3或4所述的强化对流传热传质整体式内翅管，其特征在于，所述的主体母管(1)的材料选用铸铁或铸钢或铸铝或者铸铝硅合金或不锈钢管。
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