CN101424490A - 一种平板间不连续双斜交叉肋强化换热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于肋强化平板间对流换热技术领域的一种平板间利用阵列不连续双斜交叉肋强化对流换热的方法。其技术方案为：在参与对流换热的平板表面布置一系列不连续的、与平板间流体流动方向有一定夹角且向两个方向倾斜的棱状肋；在平板表面两侧分别形成凸起和凹陷；使相邻平板表面的肋在沿平板表面垂直方向上交叉布置，形成阵列的“不连续双斜交叉肋”。本发明强化传热作用显著、流阻较小、成型简单，具有较好的抗结垢作用，与现有强化换热翅片/板片技术相比，本发明还具有加工制造成本低，适用性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于肋强化平板间对流换热技术领域，特别涉及一种平板间利用阵列不连续双斜交叉肋强化对流换热的方法。
背景技术
平板间对流换热是一种重要的热交换形式，如翅片管换热器的翅片、板式换热器的板片等，在石油、化工、电力、制冷、空调等诸多领域有着广泛的应用。
对于翅片管，其冷、热流体间壁错流换热，管内为单相或相变流体，管外一般为空气、烟气等气体介质。由于翅片管式换热器的管外侧气体换热热阻在整个热阻中占有极大的比重，而翅片结构形式和几何尺寸的差异对其换热性能与流动阻力又起着决定性的影响，因此改进管外侧的翅化形式，提高管外侧换热系数己成为提高翅片管式换热器性能的一个重要方面。经过几十年的发展，翅片管式换热器在采用扩展表面来增加空气侧换热面积的同时，还通过改变流动方向，增加空气湍流度，阻止空气边界层的发展等多种途径来进一步增强换热效果。目前得到应用的各种强化换热翅片包括：平直翅片、波纹翅片、锯齿形翅片、百叶窗翅片、穿孔翅片、开缝翅片和针形翅片等，以及近年来还开发出沿轴向或径向分布切口翅片和鳍形翅片等。与平直翅片相比，现有几种强化换热翅片或者在结构和制造上比较复杂，或者适用性和耐久性较差，特别是在强化换热的同时其流动阻力增加比较显著。因此，目前平直翅片换热器仍然是最常用的翅片管换热器。如在电厂大型直接空冷器中，考虑到运行条件和加工制造的限制，上述各种强化换热翅片很难得到应用，平直翅片仍是最主要的翅片应用形式。
板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备，其主要换热元件为板片。目前，板式换热器用的板片结构形式大约几十种，常用板片的基本形式一般为连续的波纹板片，如平直波纹、人字形波纹、横人字形波纹等。板式换热器板片的结构形式直接决定了板式换热器的换热和阻力性能。现在应用的各种波纹板片都存在阻力过高的缺点，因此在运行过程中消耗的泵功过大，运行成本比较高。
发明内容
针对目前平板间强化对流换热过程中，强化换热的同时流动阻力增加过大的缺点，基于“场协同原理”，本发明提出了一种平板间不连续双斜交叉肋强化换热的方法，特别适合于翅片管换热器的翅片、板式换热器的板片的对流换热强化。
本发明的技术方案是：在参与对流换热的平板表面，如翅片管的翅片表面或板式换热器的板片表面，布置一系列不连续的、与平板间流体流动方向有一定夹角且向两个方向倾斜的棱状肋；在翅片/板片表面两侧分别形成凸起和凹陷，同一翅片/板片表面的所有双斜肋的凸起方向相同或者沿空气流动方向交替布置凸起方向相反的不连续双斜肋，相邻翅片/板片表面凸起的方向与对应的双斜肋凸起方向相同或相反；相邻翅片/板片表面的肋在沿翅片/板片表面垂直方向上呈中心对称或偏离中心的非对称交叉布置，形成顺排阵列或错排阵列的“不连续双斜交叉肋”。在这种阵列的不连续双斜交叉肋的作用下，流体在翅片/板片间通道流动时会在壁面附近产生多个纵向涡流和/或其它二次流，从而能显著强化对流换热过程，同时流动阻力增加较少。
上述平板间不连续双斜交叉肋的特征在于，其轴线与流体流动方向成±(25～65)°的夹角，正号表示逆时针方向，负号表示顺时针方向；其肋高e与换热平板间距S的比值为0.05～0.5，肋节距p与肋高e的比值为8～40。
对于不连续双斜交叉肋翅片管换热器的翅片，其不连续双斜交叉肋的肋高与翅片间距的比值为0.05～0.3，肋节距与肋高的比值为8～32。
对于不连续双斜交叉肋板式换热器的板片，其不连续双斜交叉肋的肋高与换热板片间距的比值为0.25～0.5，肋节距与肋高的比值为12～40。
上述平板间不连续双斜交叉肋强化换热翅片/板片的制造方法包括在平直翅片/板片表面经过模压或滚轧成型。
本发明的有益效果是：强化传热作用显著、流阻较小、成型简单，其双斜交叉肋附近不易产生回流(横向涡流)，不存在流动死区，从而具有较好的抗结垢作用；与现有强化换热翅片/板片技术相比，本发明还具有加工制造成本低，适用性好等优点。
附图说明
图1是空冷器单排管不连续双斜交叉肋翅片管结构示意图。
图2是图1中的A-A截面剖视图。
图3是图1中的B-B截面剖视图。
图4是图1中的CC区域局部放大图。
图5是图3中的DD区域局部放大图。
图6是图5中的E-E截面剖视图。
图7是图5中的F-F截面剖视图。
图8是另一种形状的不连续双斜肋的E-E截面剖面图。
图9是另一种形状的不连续双斜肋的F-F截面剖面图。
图10是不连续双斜交叉肋板式换热器局部结构示意图。
图11是图10中的J-J截面剖视图。
图12是图10中的K-K截面剖视图。
具体实施方式
根据对流换热的场协同理论，多纵向涡具有优良的流动特性和强化换热作用，特别是在层流及Re≤10000的低雷诺数下其综合强化换热性能更为突出。翅片管的翅片间距一般比较小，其翅片间的流动雷诺数一般小于2000；由于板式换热器的紧凑性，板间通道比较狭小，所以板式换热器的板间流动雷诺数一般小于10000。因此翅片管的翅间换热和板式换热器的板间换热均属于低雷诺数对流换热。本发明的平板间不连续双斜交叉肋可以使平板间的流体流动产生多纵向涡，在强化换热的同时流动阻力增加相对较少。对于翅片管式换热器，与平直翅片相比，本发明一般可提高空气侧表面传热系数30％～100％，同功耗强化换热指数PEC＝(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3提高25％～50％。对于板式换热器，与目前广泛应用的人字形板片相比，本发明在换热性能相当的前提下，可以降低板式换热器阻力约30％～60％，或者在相同阻力前提下提高换热性能20％～30％。
下面结合附图与实施例对本发明予以具体说明。
实施例子1
图1为空冷器单排管不连续双斜交叉肋翅片管结构示意图。图2为图1中的A-A截面剖视图，图3为图1中的B-B截面剖视图，图4为图1中的CC区域局部放大图，图5为图3中的DD区域局部放大图，图6为图5中的E-E截面剖视图，图7为图5中的F-F截面剖视图，其中虚线表示的肋是相邻翅片表面的双斜肋。
在图1至图5中，1为空冷器单排扁管；2为蛇形翅片；3为在翅片表面形成的一对不连续双斜肋；4为相邻翅片表面的一对不连续双斜肋；5为空气流动方向；6为相邻两翅片表面在沿翅片表面垂直方向上形成的一对双斜交叉肋。在图6至图9中，7为翅片，8、9为两种不同形状的肋。
如图1至图5所示：考虑到在翅片间通道流动时的入口效应，为了减小流动阻力，使流动和换热的综合效果更好，在通道入口区一段长度上不布置不连续双斜交叉肋；由于多纵向涡流不容易衰减，在翅片间通道流动的出口区一段长度上也不布置不连续双斜交叉肋，以减少流动阻力；其余区域沿空气流动方向5在翅片表面均匀布置两排不连续双斜肋。对于同一翅片7，若翅片上表面为凸起的不连续双斜肋，则对应的下表面为凹陷的不连续双斜肋，反之亦然，它们是在加工过程中同时形成的。相邻两翅片表面对应的双斜肋3、4凸起方向相同，且在沿翅片表面垂直方向上呈交叉布置，形成双斜交叉肋6。
图2至图3中，空冷器单排扁管1的长度M＝220mm，宽度D＝20mm。
图1至图5中，蛇形翅片2的间距S＝2.45mm，高度H＝19mm，厚度d＝0.35mm，长度L＝200mm。
图4至图7中，不连续双斜交叉肋6的肋高e＝0.5mm，肋长r＝8mm，肋宽w＝2.8mm，肋节距p＝10mm。
本实施例中不连续双斜交叉肋6轴线与空气流动方向5的夹角C＝±45°，正号表示逆时针方向，负号表示顺时针方向。不连续双斜交叉肋6的肋高e与翅片7间距S的比值为0.204，肋节距p与肋高e的比值为20。
实施例子2
如图8和图9所示是另一种形状的不连续双斜交叉肋的E-E截面剖面图和F-F截面剖面图。其中肋高e＝0.6mm，肋长r＝8mm，肋宽w＝3mm。其余条件与实施例1相同。
若在相同肋高条件下，本实施例中该种形状的肋9比实施例1中的肋8能产生更好的强化换热效果。
实施例子3
图10为不连续双斜交叉肋板式换热器局部结构示意图，图11为图10中的J-J截面剖视图，图12为图10中的K-K截面剖视图。
在图10至图12中，10为板式换热器的板片；11为相邻两板片上形成的一对双斜交叉肋；12为同一板片上的一对不连续双斜肋；13为流体流动方向。
如图10至图12所示，在同一板片10上，沿流体流动方向13交替布置凸起方向相反的不连续双斜肋12；沿板片表面垂直方向上，相邻板片上对应的不连续肋凸起方向相反，且呈交叉布置。相邻板片上凸起的不连续交叉肋11相互接触，提高了板式换热器的承压强度。
双斜肋12轴线与流体流动方向13的夹角C＝±30°，正号表示逆时针方向，负号表示顺时针方向。板片10厚度d＝0.35mm，板片10间通道高度S＝2mm。不连续双斜交叉肋11的肋高e＝1mm，肋长r＝8mm，肋宽w＝3mm，肋的纵向节距p＝24mm，横向节距q＝20mm；肋高与通道高度的比值为0.5，肋的纵向和横向节距与肋高的比值分别为24和20。
流体在该板间通道内流动时，将产生多纵向涡流，从而强化换热。交叉肋的不连续性可以降低板片间流体流动被阻塞的可能性，避免板片间产生流动死区。与目前广泛使用的连续波纹板片板式换热器相比，本不连续双斜交叉肋板式换热器的流动阻力可以显著降低；与人字形连续波纹板片板式换热器而言，在换热相当的情况下其流动阻力可以降低50％左右。
Claims (9)
1、一种平板间不连续双斜交叉肋强化换热方法，其特征在于，具体方案为：在参与对流换热的平板表面布置一系列不连续的、向两个方向倾斜的棱状肋；在平板表面两侧分别形成凸起和凹陷；使相邻平板表面的肋在沿平板表面垂直方向上交叉布置，形成阵列的“不连续双斜交叉肋”；流体流动时，在阵列的不连续双斜交叉肋的作用下，在壁面附近产生纵向涡流和/或其他二次流，从而强化对流换热过程。
2、根据权利要求1所述的一种平板间不连续双斜交叉肋强化换热方法，其特征在于，所述的平板为翅片管换热器的翅片或板式换热器的板片。
3、根据权利要求1所述的一种平板间不连续双斜交叉肋强化换热方法，其特征在于，所述的同一平板表面的所有双斜肋的凸起方向相同或者沿流体流动方向交替布置凸起方向相反的不连续双斜肋，相邻平板表面形成的凸起方向与对应的双斜肋凸起方向相同或相反。
4、根据权利要求1所述的一种平板间不连续双斜交叉肋强化换热方法，其特征在于，所述的相邻平板表面的肋在沿平板表面垂直方向上呈中心对称或偏离中心的非对称交叉布置。
5、根据权利要求1所述的一种平板间不连续双斜交叉肋强化换热方法，其特征在于，所述的阵列的“不连续双斜交叉肋”为顺排阵列或错排阵列。
6、根据权利要求1所述的一种平板间不连续双斜交叉肋，其特征在于，不连续双斜交叉肋的轴线与流体流动方向成+25～65°或-25～-65°的夹角，正号表示逆时针方向，负号表示顺时针方向，肋高e与换热平板间距S的比值为0.05～0.5，肋节距p与肋高e的比值为8～40。
7、根据权利要求6所述的一种平板间不连续双斜交叉肋，其特征在于，平板为翅片管换热器的翅片的不连续双斜交叉肋的肋高与翅片间距的比值为0.05～0.3，肋节距与肋高的比值为8～32。
8、根据权利要求6所述的一种平板间不连续双斜交叉肋，其特征在于，平板为板式换热器的板片的不连续双斜交叉肋肋高与换热板片间距的比值为0.25～0.5，肋节距与肋高的比值为12～40。
9、根据权利要求2所述的翅片管换热器的翅片或板式换热器的板片，其特征在于，其制造方法包括在平直翅片或板片表面模压或滚轧成型。
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