CN101566445B - 丁胞型强化换热管 - Google Patents

Abstract

一种丁胞强化换热管，包括基管以及在基管管壁上按照一定的排列从基管外壁向内加工而成的椭球冠型丁胞组成的丁胞组，丁胞组以一定的周期和间距沿基管轴向均匀分布。由于本发明在基管上加工了这种新型的丁胞使得换热管的综合性能较之前类似的换热管有所提高。其特点如下：1.椭球冠型丁胞增加管内了的传热面积，并提高了流体的流动速度；2.更有效地破坏管内壁的边界层；3.与轴向成一定夹角的椭球冠型丁胞使流体产生纵向涡；4.管截面的不断变化以及所产生的压力变化增加了管内流体的湍流度，进而提高了管侧换热系数，并且在提高管侧换热系数同时，由于与轴向成一定夹角的椭球冠型丁胞使流体产生的二次流存在，其对流体阻力的增加较小，从而达到了提高综合换热性能的效果。

Description

丁胞型强化换热管

技术领域

本发明涉及一种广泛应用于能源、动力、化工、冶金、机械、交通、航空航天等领域中热交换系统的换热器，具体涉及一种丁胞型强化换热管。

背景技术

由于管子是组成管壳式换热器的基本元件，提高管壳式换热器的传热效率和降低其流动阻力的研究，即归结为对管子内外流体有相变或无相变的传热强化研究。管子的结构形状和表面性质直接影响着传热和流阻。传统的光滑换热管，随着流体在管内的流动，流体在壁面形成的边界层会逐渐增厚，使速度和温度梯度的协同性变差，从而会使换热性能下降。

至今已经有一些相关的专利对于通过在管道内布置一些凹凸从而影响流体流动和传热的情况进行了研究。专利CN200620155406.8公开了一种凹凸换热管，是在管体的外圆周面沿轴向上下对称且均匀分布圆弧凹坑，能使对流换热系数有较大的提高而沿程阻力却加幅不大，可用于锅炉、热交换器以及其他换热设备上。专利CN96235149.0公开了一种球面形凹凸换热管，是在原有光滑换热管管壁碾压出球面形凹凸而成的。专利CN200810018045.6公开了一种丁胞型强化换热管，是在基管上沿周向均匀分布由基管内壁向管外凸起的球冠状丁胞。专利CN200710018994.X是将丁胞管设置在螺旋折流板换热器中。值得注意的是，以上的专利和研究不论向内凸起还是向外凸起都是圆球形丁胞，向内凹起的结构减小了局部的流通面积使得阻力增加较大，但对换热的增强效果并不是很理想；向外凸起的结构虽然可以增大流通面积，不会使阻力有很大的增加，却容易在外凸的丁胞中形成漩涡死区，无法有效地对传热进行强化。只有极少数外文文献中提到椭球型丁胞，但由于其丁胞的布置方式，不能使流体产生纵向涡。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种能够既可以节约金属管材和降低设备费用，又能显著地提高热能利用效率，降低能耗，而且制造工艺简单的丁胞强化换热管。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括基管以及在基管壁面沿周向分布的若干组由基管外壁向基管管内凸起的椭球冠型丁胞组成的丁胞组，若干丁胞组沿基管流动方向均匀分布。

本发明的椭球冠型丁胞的长轴与基管的流动方向成30～60°夹角，且同一圆周截面上椭球冠型丁胞的长轴方向相互交错；椭球冠型丁胞的长轴投影长度为4～16mm，短轴投影长度为2～8mm；沿基管周向分布的相邻两椭球冠型丁胞之间的角度间隔为45～90°，且同一圆周截面上的椭球冠型丁胞的个数为偶数；椭球冠型丁胞沿基管流动方向的间隔为10～20mm；椭球冠型丁胞向管内凸起的高度为1～3mm。

发明是在粗糙元结构强化传热技术的基础上，通过研究流体在不同形状及结构的丁胞管中的流动特性而制成的丁胞型强化换热管。其在基管上设置有向内凸起的椭球冠型丁胞不但能够增加一定的管内的传热面积；更能有效地破坏管内壁的边界层；并且与轴向成一定夹角的椭球冠型丁胞使流体产生纵向涡；管截面的不断变化以及所产生的压力变化增加了管内流体的湍流度，进而提高了管侧换热系数，在提高管侧换热系数同时，由于与轴向成一定夹角的椭球冠型丁胞使流体产生的二次流存在，其对流体阻力的增加较小，实现了换热增强的比例大于阻力增加的比例，从而达到了提高综合换热性能的效果。而且椭球冠型丁胞结构在工程中可以比较容易的实现，其加工工艺适合进行批量生产。

附图说明

图1是本发明的三维示意图；

图2是本发明在下述例子中的加工工程图；

图3是本发明通过数值模拟，显示其产生的纵向涡速度矢量图；

图4是本发明通过实验，与光管综合换热性能比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

实施例1，参见图1，本发明包括基管1以及在基管1的壁面上按一定的排列周向分布的由基管1外壁向基管1管内凸起的椭球冠型丁胞2组成的丁胞组，若干丁胞组沿基管1中流体的流动方向均匀分布。椭球冠型丁胞1的长轴与基管1中流体的流动方向成45°夹角，且同一圆周截面上其长轴方向相互交错；椭球冠型丁胞的长轴的投影长度为8mm，短轴的投影长度为4mm；基管周向分布的椭球冠型丁胞之间的角度间隔θ为60°，为了满足同一圆周截面上椭球冠型丁胞长轴方向相互交错，同一圆周截面上的椭球冠型丁胞数为偶数；沿基管中流体的流动方向椭球冠型丁胞的间隔为15mm；向管内凸起的高度为2mm。

参见图2，图2是本发明采用上述尺寸和布置方式加工椭圆丁胞管的工程图。

图中d为管内径；e为管壁厚度；Φ₁和Φ₂分别为椭球型丁胞的投影长轴和短轴长度；h为丁胞的凸起高度；p为丁胞的轴向间距；θ为丁胞的周向夹角。

参见图3，本发明采用上述尺寸和布置方式，用FLUENT进行数值模拟，图3是以模拟的结果绘出的椭圆冠型丁胞间隔处截面的速度矢量图。图中可以清晰的看到6个旋涡，即是由于椭圆冠型丁胞这一结构使流体产生的纵向涡。

参见图4，本发明采用上述尺寸和布置方式，用图2所示加工出的椭圆冠型丁胞强化换热管进行实验，图4是通过实验结果拟合公式，计算出的本发明与光管综合换热性能的比较图，横坐标是雷诺数，纵坐标是性能评价指标，即强化换热管相对于光管的努谢尔数与阻力系数提高倍数的比值。

由此可以看出，在不同雷诺数下，本发明的综合换热能力较光管最高提高了71.3％，充分地证明了此种强化管换热性能的优越性。

通过以上的分析可知：本发明从传热学基本原理出发，既增加了换热面积，也加强了对边界层的破坏，并且通过布置丁胞管的位置使流体产生纵向涡，提高了速度场和温度场的协同性，在很大程度上增加了管内表面的传热能力，可以使综合换热性能在相同雷诺数下较光管有很大的提高，以较小的流阻损失获得了较高的强化换热效果。因此本发明是一种加工简单、高效低阻的新型强化换热管。

本发明根据强化传热理论，将增大换热管的换热面积、有效地破坏边界层和提高管内流体的湍流度相结合，其优点在于：椭球型的丁胞能够更有效地增大换热面积，增强换热；当管内流体流过丁胞结构时，椭球型丁胞的存在破坏管道内壁处边界层，使得其不能连续生长，增强了换热；边界层的打破同时，由于管截面的不断变化以及所产生的压力变化增加了管内流体的湍流度；与轴向成一定夹角并相互交错的椭球冠型丁胞使流体产生纵向涡，从而有效地提高了速度场和温度场的协同性，增强了管内的换热性能。在换热性能增强的同时，由于与轴向成一定夹角的椭球冠型丁胞使流体产生的二次流存在，其对流体阻力的增加较小，从而达到了提高综合换热性能的效果。采用本发明新型椭球丁胞强化换热管取代光管，可以大幅度地提高换热管的综合换热性能，减少换热设备的体积，降低成产成本，实现换热设备的高效低阻。

Claims (5)

1.一种丁胞强化换热管，其特征在于：包括基管(1)以及在基管(1)壁面沿周向分布的若干组由基管(1)外壁向基管管内凸起的椭球冠型丁胞(2)组成的丁胞组，若干丁胞组沿基管(1)流动方向均匀分布，沿基管(1)周向分布的相邻两椭球冠型丁胞(2)之间的角度间隔为45～90°，且同一圆周截面上的椭球冠型丁胞(2)的个数为偶数。

2.根据权利要求1所述的丁胞强化换热管，其特征在于：所说的椭球冠型丁胞(2)的长轴与基管(1)的流动方向成30～60°夹角，且同一圆周截面上椭球冠型丁胞(2)的长轴方向相互交错。

3.根据权利要求1所述的丁胞强化换热管，其特征在于：所说的椭球冠型丁胞(2)的长轴投影长度为4～16mm，短轴投影长度为2～8mm。

4.根据权利要求1所述的丁胞强化换热管，其特征在于：所说的椭球冠型丁胞(2)沿基管(1)流动方向的间隔为10～20mm。

5.根据权利要求1所述的丁胞强化换热管，其特征在于：所说的椭球冠型丁胞(2)向管内凸起的高度为1～3mm。 

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