CN101532797A - 换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置 - Google Patents

Abstract

换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置，其特点是：在光滑换热管或直管段的两端各设置一个叶轮，所述的两个叶轮外端面分别与法兰固定，内端面位于光滑换热管或直管段的中心轴线位置，胀接或者螺旋连接不锈钢金属轴，金属轴上间隔错落连接周期边界层刷。所述的各周期边界层刷与不锈钢金属轴垂直；可以是焊接在金属轴上的短金属针棒或有机塑料短棒或打孔金属片。每个周期边界层刷的末端距离换热管内壁面为1/5～1/7半径的距离。本发明采用叶轮流体自驱动方式，由流体带动叶轮使边界层刷转动，无需外部动力；边界层刷的转动使管内流体得以扰动而强化传热，管内壁边界层被不断破坏，进一步提高强化效果；还可避免内部管壁结垢。

Description

换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置

技术领域

本发明涉及一种换热管的强化传热装置，具体涉及一种换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置。

背景技术

管壳式换热器在化工、炼油、轻工、冶金等过程工业系统中起着重要的作用。据统计，在现代石油化工生产中，尤其是大型电站的辅助设备中管壳式换热器以及换热管道的投资约占总投资的15％～30％。然而通常用的管壳式换热器与各种新型高效换热器相比，换热效率较低。因此，随着能源日益紧张，本着节约能耗、物耗的思想，应用强化传热技术减少换热器中换热管数量，增强换热管的换热性能，是每一个工程设计人员追求的目标。几十年来，换热管的传热强化、开发与研究是一个始终倍受关注的课题。

根据换热管的停用场合不同，其强化的重点也有所区别。根据热阻的主要来源，强化方法主要分为管外强化和管内强化两种。管外强化主要有管外翅片增加二次换热面积、改变管束排列方式(叉排或顺排)以及加入折流板或折流杆等改变流动状态和换热条件等方法实现；而对于应用众多的管外相变凝结作用的换热管(例如电厂凝汽器等)，其热阻主要来源于管内换热，因此管内强化是研究的重点。对于换热管内的强化，基于强化机理，目前主要有如下强化方法：

1)采用管内插入物来强化管内传热：包括金属丝制元件、金属螺旋圈、盘状构件、麻花铁、翼形物等；

2)采用传热性能优良的传热管(异型管)：如横纹管、螺纹槽管、翅片管、单(双)面纵槽管，多孔金属层管。

综观上述目前现有的管内强化换热方法，其基本上都是通过结构改变或者设置其他扰动装置，目的是尽量增加流体的扰动，从而提高流体的湍动度、尽量减薄流体热和流动边界层的方法实现传热强化，尚不存在专门地、主动地破坏流动和热边界层，从而从本质上提高传热性能的强化方法，该传热方法和装置的改变对提高传热性能效果有限。

发明内容

本发明公开了一种换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置，其目的在于克服现有换热管内的强化方法不能从本质上提高传热性能，传热效果较差等弊端。本发明强化传热装置是在普通换热管内设置一个带涡流自驱动装置的边界层刷，由于边界层刷的转动使得管内的流体得以扰动而强化传热，管内的边界层不断被破坏，可大大提高强化效果；边界层刷采用叶轮流体自驱动的方式，旋转不需要额外动力，能够在有限的阻力增加的条件下，实现自驱动的传热强化效果。本发明抓住了边界层导热热阻这一限制对流换热的最根本因素，不是仅仅局限于减薄边界层的有限强化，而是设置专门的边界层破坏装置，主动地实现边界层的完全破裂，从而从本质上提高对流换热效果。

换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置，其特征在于：在光滑换热管或直管段的两端各设置一个叶轮，所述的两个叶轮外端面分别与法兰固定，所述的两个叶轮内端面，在位于光滑换热管或直管段的中心轴线位置胀接或者螺旋连接不锈钢金属轴，金属轴上间隔错落连接周期边界层刷，所述的各周期边界层刷与不锈钢金属轴垂直。

所述的周期边界层刷可以是焊接在金属轴上的短金属针棒或有机塑料短棒或打孔金属片。

所述的周期边界层刷的长度：每个周期边界层刷的末端距离换热管内壁面为1/5～1/7半径的距离。

所述的金属轴上间隔错落连接的各周期边界层刷依次成90°排列，每四个一组，每组正好旋转360°。

本发明与普通的强化管相比，具有以下特点：

1)本发明装置的强化方式属于传热的主动强化；不仅边界层刷的自身转动使得管内的流体得以扰动而强化传热，还能通过边界层刷对管内壁边界层的不断破坏，进一步提高强化效果；

2)边界层刷的旋转不需要依靠外在驱动力，采用叶轮流体自驱动的方式，由流体带动叶轮使边界层刷转动；

3)由于在边界层刷旋转过程中，换热管内壁面会产生一个横向流动作用，使得硬水中的粒子很难沉积下来，相当于对换热管壁面起到一个清扫的作用。所以这种强化传热装置能很好的避免内部管壁结垢。

附图说明

图1是本发明自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置结构示意图；

图2是换热管截面示意图。

1.换热管；2.前叶轮及固定法兰；3.后叶轮及固定法兰；4.不锈钢金属轴；5.周期边界层刷。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置，如图1所示。在光滑换热管1(或直管段)的两端各设置一个叶轮，所述的两个叶轮外端面分别与法兰固定，即组合成前叶轮及固定法兰2和后叶轮及固定法兰3，所述的两个叶轮内端面位于光滑换热管1(或直管段)的中心轴线位置，胀接或者螺旋连接有不锈钢金属轴4，不锈钢金属轴4上间隔错落连接周期边界层刷5，所述的各周期边界层刷5与不锈钢金属轴4垂直。周期边界层刷5可以是焊接在金属轴上的短金属针棒或有机塑料短棒或打孔金属片。每个周期边界层刷5的末端距离换热管内壁面为1/5～1/7半径的距离。如图2所示：本实施例不锈钢金属轴4上间隔错落连接的周期边界层刷5依次成90°排列，每四个一组，每组正好旋转360°。

当流体流过换热管1时，前后叶轮在流体流动作用下将自行旋转，其转动速度由流体的速度及转动阻力(组件前叶轮及固定法兰2、后叶轮及固定法兰3、不锈钢金属轴4、周期边界层刷5总的转动阻力)决定。前、后叶轮的旋转进一步带动不锈钢金属轴4及固定其上的周期边界层刷旋转。

在上述旋转作用下，流体在流动方向上将产生双重作用，其一是流体将被周期性地扰动和掺混，增强喘动度，从而提高强化效果；其二则是由于周期边界层刷5的端部靠近换热管1的内壁面，在旋转流的作用下，内壁面的流动和传热边界层都将遭到周期性的破坏，从而最大程度地提高强化换热效果，因为边界层内的换热热阻是对流传热阻力的根本来源。

本发明可广泛应用于化工、石油、大型电站凝汽设备等需要强化传热的场合。具体设备主要针对于管式换热器。

Claims (4)

1.换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置，其特征在于：在光滑换热管或直管段的两端各设置一个叶轮，所述的两个叶轮外端面分别与法兰固定，所述的两个叶轮内端面，在位于光滑换热管或直管段的中心轴线位置胀接或者螺旋连接不锈钢金属轴，金属轴上间隔错落连接周期边界层刷，所述的各周期边界层刷与不锈钢金属轴垂直。

2.根据权利要求1所述的换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置，其特征在于：所述的周期边界层刷可以是焊接在金属轴上的短金属针棒或有机塑料短棒或打孔金属片。

3.根据权利要求1所述的换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置，其特征在于：所述的周期边界层刷的长度：每个周期边界层刷的末端距离换热管内壁面为1/5～1/7半径的距离。

4.根据权利要求1所述的换热管内自驱动周期刷边界层破裂强化传热装置，其特征在于：所述的金属轴上间隔错落连接的各周期边界层刷之间依次成90°排列。

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