CN101566436A - 一种流态可控的高效传热纵肋换热器 - Google Patents

Abstract

一种流态可控的高效传热纵肋换热器，用于提高换热器效率。构成中包括基体和设置在基体外部纵向排列的肋片，改进后，肋片为分段结构，两段肋片间设置流向间距，各段肋片长度L为流向间距长度δ的4～5倍，各段肋片长度L为60～150mm。本发明依据绕流肋片的流体物性和流速，在保证肋间基础表面对流换热系数不变的前提下，通过选择合适的肋长L和肋片流向间距δ来控制肋片两侧的流态，使其进入层流高效传热区，从而大幅度地提高肋片两侧的对流换热系数，有效提升纵肋换热器的整体传热性能。本发明具有构思巧妙、结构简单，改造和加工方便，传热效果优良、节能效果好等优点。

Description

一种流态可控的高效传热纵肋换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器，特别是通过合理配置肋片长度，控制肋侧上的流态，进而达到提高肋侧传热效果的纵肋换热器，属热交换设备技术领域。

背景技术

换热设备是化工、炼油、动力、轻工、钢铁、机械等许多工业部门广泛使用的一种设备。受世界性能源危机的影响及响应节能减排战略的实施，为降低能耗、提高换热效率，工业生产中对换热器的性能要求也越来越高。肋片式换热器作为一种通用的强化换热方式，在工业领域应用非常广泛。纵肋式换热器是肋片式换热器中一种重要的肋片型式，多用于大型换热器，如钢铁行业和棉花干燥行业中的热风炉中。目前，该类型的部分热风炉存在传热效果不佳、换热器出力不足等现象，如何进一步提高此类换热器的传热效果、降低生产能耗，日益受到用户和生产厂家的广泛关注。因此，在原有设备结构基本保持不变的前提下，设计并开发一种高效纵肋式换热器是十分必要的。

发明内容

本发明用于解决上述已有技术之缺陷而提供一种突破常规设计理念，结构简单、易于实现的流态可控的高效传热纵肋换热器。

本发明所称问题是通过以下技术方案解决的：

一种流态可控的高效传热纵肋换热器，构成中包括基体和设置在基体外部纵向排列的肋片，其特别之处是：所述肋片为分段结构，两段肋片间设置流向间距，流向间距长度为δ，所述各段肋片长度L为：

$L=0.441{\left(\frac{h_{\mathrm{avg}}}{{\mathrm{\ρc}}_p{u}_{\∞}}\right)}^{-2}\left(\frac{v}{u_{\∞}}\right){)\mathrm{Pr}}^{-4/3}$

式中：ρ为流体密度、c_p为流体的定压比热、Pr为流体的普朗特数，h_avg为平均对流换热系数，u_∞为流体的平均速度，ν为流体的运动粘度；

上述流态可控的高效传热纵肋换热器，所述肋片流向间距长度δ为肋片长度L的1/4～5。

上述流态可控的高效传热纵肋换热器，所述肋片厚度为2.5～4mm；肋片高度为20～40mm。

上述流态可控的高效传热纵肋换热器，所述各排肋片的流向间距位置对应或错开设置，所述肋片与基体为一体式结构或分体式结构。

上述流态可控的高效传热纵肋换热器，所述各段肋片长度L为60～150mm。

本发明针对传统纵肋式换热器换热效果传热效果不佳、换热器出力不足的问题对肋片结构进行了改进，将肋片设计为流态可控的非连续分段式直肋片。该设计依据绕流肋片的流体物性和流速，在保证肋间基础表面对流换热系数不变的前提下，通过选择合适的肋长L和肋片流向间距δ来控制肋片两侧的流态，使其进入层流高效传热区，从而大幅度地提高肋片两侧的对流换热系数，有效提升纵肋换热器的整体传热性能。本发明不仅可大幅度提高纵肋换热器的整体换热性能，并可在一定程度上降低肋片的金属耗材。本发明适用于流体纵向冲刷肋片换热器的工业应用场合，具有构思巧妙、结构简单，改造和加工方便，传热效果优良、节能效果好等优点。

附图说明

图1是本发明圆管式纵肋换热器结构示意图；

图2是本发明平板式纵肋换热器结构示意图；

图3是一体式分段肋片结构示意图；

图4是分体式分段肋片结构示意图。

图5是平均对流换热系数与雷诺数的关系图。

附图中标号如下：1、基体；2、肋片；δ、流向间距。

具体实施方式

本发明的设计用于纵肋换热器，参看图1、图2，其构成中包括换热器基体1和设置在基体外部纵向排列的肋片2，其基体是圆管式纵肋换热器基体或平板式纵肋换热器基体。本发明技术要点是将纵肋换热器的肋片设计为分段结构，在各段肋片间设置流向间距δ，各排肋片的流向间距位置的设置可以是相互对应或错开。

本发明的设计原理如下：依据传热学原理，当流体绕流纵向肋片时，肋片两侧表面上的流动除入口处一段为层流外，其余均为紊流状态，其表面对流传热系数近似可按绕流大平板的有关公式进行计算，具体如下：

层流状态： $\frac{h_{\mathrm{avg}}}{\mathrm{\ρ}{c}_p{u}_{\∞}}=0.664R{e}_L^{-1/2}{\mathrm{Pr}}^{-2/3}---\left(1\right)$

紊流状态： $\frac{h_{\mathrm{avg}}L}{k}={\mathrm{Pr}}^{1/3}({0.037\mathrm{Re}}_L^{0.8}-871),{\mathrm{Re}}_{\mathrm{cr}}=5\&times;{10}^5,{\mathrm{Re}}_L<{10}^7---\left(2\right)$

$\frac{h_{\mathrm{avg}}L}{k}={\mathrm{Pr}}^{1/3}[0.228{\mathrm{Re}}_L{\left(\log {\mathrm{Re}}_L\right)}^{-2.584}-871],$ Re_cr＝5×10⁵，10⁷＜Re_L＜10⁹  (3)

式中，h_avg为平均对流换热系数，k为流体的导热系数，ρ为流体密度，c_p为流体的定压比热，u_∞为流体的平均速度；Pr为流体的普朗特数。 ${\mathrm{Re}}_{\mathrm{cr}}=\frac{u_{\&infin;}{x}_{\mathrm{cr}}}{v}$ 和 ${\mathrm{Re}}_L=\frac{u_{\&infin;}L}{v}$ 分别为临界雷诺数和绕流肋片长度为L处的雷诺数，x为距离前缘点的长度，ν为流体的运动粘度，下标cr和L表示临界点长度和肋片长度L。

肋侧传热量依据下式计算，

Q_fin＝h_avgAΔT                        (4)

式中，Q_fin为肋侧传热量，A为肋侧传热面积，ΔT为肋侧表面温度和流体温度间的平均温差。

对于工业上常用的纵肋换热器，管外流体通常为空气或烟气，管内为水或其他介质。以工业广泛应用的换热器为例，选取管外侧参数为：空气来流速度为10m/s，平均温度为323K，肋长为2m，依据上述公式(1)～(3)可得不同雷诺数下的肋侧平均对流换热系数如图5所示。图5中标出了肋侧的实际工作点，对应的对流换热系数为21.02W/m²·℃。

另外，图5表明，大部分层流区的平均对流换热系数均高于紊流区，如能通过控制绕流肋片上的雷诺数在某一合理范围内，则其对流换热系数比现有工作点处的换热系数将有大幅度的提高。据此，采用本发明的分段式纵肋，通过合理选择肋片长度L和分段肋片流向间距δ，可将肋片上流体的流态控制在如图5所示的层流高效换热区。

以下给出几个具体算例计算结果：

1)若L＝100mm，δ＝20mm，则h_avg＝39.27W/m²·℃，肋片长度为流向间距5倍，对流换热系数提高了86.85％，肋侧传热量增加了48.68％；

2)若L＝80mm，δ＝20 mm，则h_avg＝43.91W/m²·℃，肋片长度为流向间距4倍，对流换热系数提高了108.9％，肋侧传热量增加了56.68％。

3)若L＝60mm，δ＝15mm，则h_avg＝50.6W/m²·℃，肋片长度为流向间距4倍，对流换热系数提高了141.2％，肋侧传热量增加了80.9％。

上述三个算例表明，在肋片长度为流向间距4～5倍的情况下，肋侧表面对流系数可提高86.85～141.2％，肋侧传热量增加了48.68～80.9％，而在基础表面上的对流换热系数基本不变的前提下，可有效提高换热器的整体传热效果。

肋片参数的选取方法：

为获取高效的肋侧平均对流换热系数，本发明雷诺数取值范围为Re_L≤6×10⁴

对于常用的工业换热器，流速为10m/s，平均温度323K的气流，雷诺数为Re_L＝3.5×10⁴～6×10⁴；对于低于10m/s的气体流动，雷诺数范围为Re_L＝1.0×10⁴～6×10⁴。

在层流高效传热区选定对应的雷诺数Re_L，依据下式确定肋片长度L，

$L=0.441{\left(\frac{h_{\mathrm{avg}}}{\mathrm{\&rho;}{c}_p{u}_{\&infin;}}\right)}^{-2}\left(\frac{v}{u_{\&infin;}}\right){\mathrm{Pr}}^{-4/3}---\left(5a\right)$

或

$L=0.441\frac{v}{u_{\&infin;}}S{t}^{-2}{\mathrm{Pr}}^{-4/3}---\left(5b\right)$

式中 $\mathrm{St}=\frac{h_{\mathrm{avg}}}{\mathrm{\&rho;}{c}_p{u}_{\&infin;}},$ 为斯坦顿数。计算肋长L时，物性参数，如流体密度ρ、流体的定压比热c_p、流体的普朗特数Pr按照流体进出、口温度平均值进行查表。平均对流换热系数h_avg仍需按图5中的层流高效换热区进行选取，建议雷诺数为Re_L＜6×10⁴。

依据本发明进行的换热器数值模拟结果表明，肋片长度L的合理取值范围为L＝60～150mm，当流速高于10m/s时肋片长度按照上述范围的较小值选取，流速低于10m/s时肋片长度按照上述范围的较大值选取；若由式(5)计算所得肋长超出60～150mm，则仍在L＝0.06～0.15m范围内选取。

当确定肋片长度L值后，按肋片长度L为流向间距长度δ的4～5倍选取流向距，在δ的取值范围内短肋片取较小值，长肋片较大值。

肋片厚度和肋片高度尺寸依据纵肋式换热器标准和具体空间结构进行选取，通常肋片厚为2.5～4mm；肋片高度为20～40mm，具体尺寸可根据换热器的空间结构确定。

本发明分段结构肋片与基体可为图3所示的一体式结构，或图4所示的分体式结构。对于现有的纵肋换热器，将现有长直肋片按照比例切割成分段纵肋片，即可完成普通长直肋片到流态可控型分段式纵肋的转换。

以下给出一个具体计算实例：圆管式纵肋换热器，基体长度为2m，肋片分段长度L＝100mm，流向间距长度δ＝25mm，肋片厚为3mm；肋片高度为30mm。

Claims (5)

1.一种流态可控的高效传热纵肋换热器，构成中包括基体(1)和设置在基体外部纵向排列的肋片(2)，其特征在于：所述肋片为分段结构，两段肋片间设置流向间距，流向间距长度为δ，所述各段肋片长度L为：

$L=0.441{\left(\frac{h_{\mathrm{avg}}}{\mathrm{\&rho;}{c}_p{u}_{\&infin;}}\right)}^{-2}\left(\frac{v}{u_{\&infin;}}\right){\mathrm{Pr}}^{-4/3}$

式中：ρ为流体密度、c_p为流体的定压比热、Pr为流体的普朗特数，h_avg为平均对流换热系数，u_∞为流体的平均速度，v为流体的运动粘度；

2.根据权利要求1所述的流态可控的高效传热纵肋换热器，其特征在于：所述肋片流向间距长度δ为肋片长度L的1/4～5。

3.根据权利要求2所述的流态可控的高效传热纵肋换热器，其特征在于：所述肋片厚度为2.5～4mm；肋片高度为20～40mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的流态可控的高效传热纵肋换热器，其特征在于：所述各排肋片的流向间距位置对应或错开设置，所述肋片与基体为一体式结构或分体式结构。

5.根据权利要求4所述的流态可控的高效传热纵肋换热器，其特征在于：所述各段肋片长度L为60～150mm。

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