CN101691974A - 一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，包括同心穿套的外管和芯管及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片，内翅片与外管和芯管间用钎焊进行连接，内翅片由波纹内翅片板弯曲而成且在外管和芯管间形成一圆柱状的纵向螺旋式内翅片管，纵向螺旋式内翅片管上分布有多个纵向螺旋式流通通道；外管外装配有在外管外侧形成螺旋式流通通道的纵向螺旋外翅片。本发明结构简单，加工制作简便且传热效果好，通过在传热管内外设置纵向螺旋翅片，综合优化了管内外的流动与传热过程，在增加传热管内外传热面积的同时，能有效改善管内外两侧对流传热的场协同效果并能有效降低流动阻力，使传热管内外流体流动与传热的综合效果同时得到有效提高。

Description

一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件

技术领域

本发明涉及一种在炼油、化工、环保、能源、电力等工业的换热设备中使用的强化传热元件，尤其是涉及一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件。

背景技术

换热器是炼油、化工、环保、能源、电力等工业中一种重要的单元设备通常在化工厂的建设中，换热器约占总投资的10-20％，目前，国内外常用的换热器大体上可以分为管式和板式两大类。对于有气体换热的情况，一般采用增加翅片的方式来强化气侧换热。通常而言，板翅式换热器广泛应用于气-气换热，管翅式换热器较多的应用于气-液换热。对于板翅式换热器，因其在钎接过程中局部没有钎牢而形成薄弱环节，从而决定了板翅式换热器不能承受较高的绝对压力或者故障状态下较高的相对压力，在极限工况下会发生胀裂，带来较大的经济损失和安全隐患，这就限制了板翅式换热器的使用场合。对于管翅式换热器，一般仅在换热管外侧增加翅片，或者进一步在翅片上设计出纵向涡发生器，以此来增强管外流体的湍动能，对于翅片设计形式对流体流动的影响以及流体流动进一步对传热的影响则考虑较少；而对于管内加内翅片以此来增加换热管传热面积也有相关研究及专利，但相关内翅片管的结构布置在起到强化传热作用的同时也显著地增加了管内流动阻力，传热强化与流动阻力增加这对矛盾并没有很好地解决。

现有的场协同强化传热理论指出，获得高的对流传热系数的主要途径有两种：(1)提高流体速度场和温度场的均匀性；(2)改变速度矢量和热流矢量的夹角，使两矢量的方向尽量一致。因此，当速度矢量方向与热流矢量方向方向相反并在统一直线上时(方向相反时为流体被加热程度最强；方向相同时为被流体冷却程度最强)，此时的对流传热协同性最好，传热系数最大，即在对流传热过程中，流体以一定的方式垂直冲刷或接近垂直冲刷固体壁面时(设法使得流速矢量与热流密度矢量在同一直线上)，能够有效地提高对流传热系数，极端的例子为射流冲击，具有很强的传热效果，但同时流动阻力也达到了最大。基于场协同思想，考虑到强化传热的同时能够有效减少流动阻力的增加，应当设法找到一种流动方式，实现对流传热场协同的效果最佳。流体的螺旋式运动能够较好地解决以上问题，实现流动以一定的角度周期性地冲刷固体壁面，强化对流传热，同时又能够有效降低其流动阻力的增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，其结构简单、加工制作简便且传热效果好，在增加传热管内外传热面积的同时，能有效改善管内外两侧对流传热的场协同效果并有效降低流动阻力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，包括同心穿套的外管和芯管以及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片，所述内翅片与外管和芯管之间采用钎焊进行连接，其特征在于：所述内翅片由波纹内翅片板弯曲而成且在外管和芯管之间形成一个圆柱状的纵向螺旋式内翅片管，所述纵向螺旋式内翅片管上分布有多个纵向螺旋式流通通道；所述外管外装配有在外管外侧形成螺旋式流通通道的纵向螺旋外翅片。

所述内翅片和纵向螺旋外翅片为同向螺旋或异向螺旋。

所述波纹内翅片板波纹的纹路与水平方向间的夹角为α，其中15°≤α≤85°；所述波纹的波纹形状为连续周期函数，其纵向幅高H与外管和芯管之间的间距相等；内翅片中所流通的介质黏性越大，所述波纹内翅片板的波纹越稀疏，所述波纹的波长λ越大，所述纵向螺旋式流通通道的数量越少，α越大。

所述波纹内翅片板的波纹为锯齿形、矩形或正弦波形。

所述波纹内翅片板上连续开有多个通孔或多条细缝。

所述通孔为圆形或多边形。

所述波纹内翅片板为铜、钢或铝金属板。

所述纵向螺旋外翅片的横截面形状为矩形、三角形或梯形。

所述纵向螺旋外翅片上连续开有多个孔或多条缝。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、不仅结构简单，加工制作简便，而且使用操作方便。

2、通过在传热管内外设置纵向螺旋翅片，在增加管内外两侧的换热面积的同时，能够实现传热管内外两侧流体的螺旋式流动，从而改善传热管内外对流传热的场协同效果，使得管内外流体的对流传热接近最佳效果，同时能够有效降低流动阻力的增加。

3、管内介质流动方向为纵向螺旋状旋转运动，从而加强了流动边界层的扰动，并促进边界层流体和主流流体的混合，强化对流换热。

4、螺旋通道内高速旋转运动的流体能够有效抑制管内结垢，更适用于黏度较大介质换热。

5、通过在波纹内翅片板上连续开孔或缝，实现油类高黏度流体流动边界层及温度边界层的有效破坏，增强扰动，从而有效强化管内对流换热。

综上所述，本发明结构简单，加工制作简便且传热效果好，通过在传热管内外设置的纵向螺旋翅片，综合优化了管内外的流动与传热过程，在增加传热管内外传热面积的同时，能够有效改善管内外两侧对流传热的场协同效果，同时能有效降低其流动阻力，使得传热管内外流体的流动与传热的综合效果同时得到有效地提高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所采用波纹内翅片板的整体结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明纵向螺旋外翅片上连续开有多个孔的结构示意图。

图4为本发明纵向螺旋外翅片上连续开有多条缝的结构示意图。

附图标记说明：

1-外管；            2-芯管；  3-内翅片；

4-纵向螺旋外翅片；  5-孔；    6-缝。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，包括同心穿套的外管1和芯管2以及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片3，所述内翅片3与外管1和芯管2之间采用钎焊进行连接。所述内翅片3由波纹内翅片板弯曲而成且在外管1和芯管2之间形成一个圆柱状的纵向螺旋式内翅片管，所述纵向螺旋式内翅片管上分布有多个纵向螺旋式流通通道；所述外管1外装配有在外管1外侧形成螺旋式流通通道的纵向螺旋外翅片4。所述内翅片3和纵向螺旋外翅片4为同向螺旋或异向螺旋。

所述内翅片3由波纹内翅片板弯曲而成且在外管6和芯管8之间形成一个圆柱状的纵向螺旋式内翅片管，所述纵向螺旋式内翅片管上分布有多个纵向螺旋式流通通道。另外，所述波纹内翅片板波纹的纹路与水平方向间的夹角为α，其中15°≤α≤85°。所述波纹的波纹形状为连续周期函数，其纵向幅高H与外管1和芯管2之间的间距相等，同时芯管2为堵塞芯管。实际应用过程中，内翅片3中所流通的介质黏性越大，所述波纹内翅片板的波纹越稀疏，所述波纹的波长λ越大，所述纵向螺旋式流通通道的数量越少，α越大。本实施例中，波纹内翅片板的波纹为正弦波形，实践中，也可以将波纹内翅片板的波纹加工制作为锯齿形或矩形等其他波纹形状。本实施例中，所述波纹内翅片板上连续开有多个通孔或多条细缝。所述通孔为圆形或多边形，并且所述波纹内翅片板为铜、钢或铝金属板。

所述多个纵向螺旋外翅片4的横截面形状为矩形、三角形或梯形，加工制作时，可以根据需要将纵向螺旋外翅片4的横截面波纹制作为相应的形状。另外，所述纵向螺旋外翅片4上连续开有多个孔5或多条缝6，详见图3和图4。另外，当流通的的介质黏性比较大时，纵向螺旋外翅片4采用单螺旋或双螺旋结构；而当流通的介质黏性较小时，则纵向螺旋外翅片4可以相应采用多螺旋结构。本实施例中，纵向螺旋外翅片4为单螺旋结构。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，包括同心穿套的外管(1)和芯管(2)以及在二者间绕管芯环绕嵌设的内翅片(3)，所述内翅片(3)与外管(1)和芯管(2)之间采用钎焊进行连接，其特征在于：所述内翅片(3)由波纹内翅片板弯曲而成且在外管(1)和芯管(2)之间形成一个圆柱状的纵向螺旋式内翅片管，所述纵向螺旋式内翅片管上分布有多个纵向螺旋式流通通道；所述外管(1)外装配有在外管(1)外侧形成螺旋式流通通道的纵向螺旋外翅片(4)。

2.按照权利要求1所述的一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，其特征在于：所述内翅片(3)和纵向螺旋外翅片(4)为同向螺旋或异向螺旋。

3.按照权利要求1或2所述的一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，其特征在于：所述波纹内翅片板波纹的纹路与水平方向间的夹角为α，其中15°≤α≤85°；所述波纹的波纹形状为连续周期函数，其纵向幅高H与外管(1)和芯管(2)之间的间距相等；内翅片(3)中所流通的介质黏性越大，所述波纹内翅片板的波纹越稀疏，所述波纹的波长λ越大，所述纵向螺旋式流通通道的数量越少，α越大。

4.按照权利要求1或2所述的一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，其特征在于：所述波纹内翅片板的波纹为锯齿形、矩形或正弦波形。

5.按照权利要求1或2所述的一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，其特征在于：所述波纹内翅片板上连续开有多个通孔或多条细缝。

6.按照权利要求5所述的一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，其特征在于：所述通孔为圆形或多边形。

7.按照权利要求1或2所述的一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，其特征在于：所述波纹内翅片板为铜、钢或铝金属板。

8.按照权利要求1或2所述的一种传热管内外装配纵向螺旋翅片传热元件，其特征在于：所述纵向螺旋外翅片(4)的横截面形状为矩形、三角形或梯形。

9.按照权利要求1或2所述的传热管外流体多股螺旋流壳管式换热器，其特征在于：所述纵向螺旋外翅片(4)上连续开有多个孔(5)或多条缝(6)。

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