CN101799251B - 单元组合式管外强化传热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种单元组合式管外强化传热装置，包括传热管、半圆柱形单元金属薄片、夹紧单元金属薄片所需的紧固件、导热填料，半圆柱形单元金属薄片外表面上有超疏水表面，超疏水表面为微纳米结构的毛刺，导热填料均匀覆盖传热管外表面，半圆柱形单元金属薄片对齐连接，形成一个圆柱形，靠紧固件的压力紧固地套在放置有导热填料的传热管的外表面，多个单元金属薄片紧凑连接，并通过前后两端紧固件紧固在传热管外表面。金属薄片具有超疏水外表面结构，产生自清洁效应的同时还能增加换热面积、促进扰流，有效提高换热系数，节约能源。该装置具有自除垢功能，而且加工简单，使用寿命长，应用范围广泛。
Description
技术领域
本发明涉及用于管壳式换热器、热交换反应器、冷凝器等设备中传热管外的高效换热元件，该元件能够广泛应用于热力发电、石油化工、食品、制药、轻工、冶金、船舶等行业的管壳式换热设备与反应设备上。
背景技术
现有的管壳式换热器一般常采用的强化传热传热管形式多样，例如薄壁波纹/波节传热管，由于其扰动强化传热和增大表面强化传热的作用，具有良好的传热强化效果。同时，由于其管壁具有良好的可延展性及收缩性，薄壁波纹/波节传热管还具有热应力小等优点，使其在工业中得到应用。但是这类传热管加工困难，管阻过大，而且在使用过程中，容易发生磨损，特别是波节/波纹传热管过密的波峰、波谷与支撑板之间的反复摩擦等问题大大降低了它的使用寿命。菱形强化传热管，由若干菱形管段、椭圆管段、圆-椭圆过渡段组成，管段的两端截面为椭圆形且两椭圆长轴之间交叉15°-90°角，由管段两端向中心变化，其横截面的椭圆度逐渐减小，直到管段中心横截面变为圆形或近似圆形，菱形管段和椭圆管段依次周期排列。菱形强化传热管对流体的扰动使其能够带来明显的换热效果，尤其是在粘性介质中强化传热效果良好。但是这种传热管加工成型困难，管壁较厚，管内壁结垢不易清除等缺点，使用领域受到限制。环箍强化薄壁传热管由于在管外设计了明显的沟槽，一定程度上能够通过扰动管外流体以及增加传热面积达到强化传热目的，但是槽边缘以及槽底应力集中明显、浪费沟槽部位材料等缺点都无法克服。
发明内容
本发明的目的是设计一种新式强化传热元件，以解决上述现有技术中存在的不足，提供一种传热系数高，制造加工简单，应用范围广，使用寿命长的管外强化传热装置。
本发明提出的技术方案是：单元组合式管外强化传热装置，该装置包括传热管、半圆柱形单元金属薄片、夹紧单元金属薄片所需的紧固件、导热填料，半圆柱形单元金属薄片外表面上通过精密铸造、化学或电化学等先进制造方法获得超疏水表面，导热填料通过粘接或贴合均匀覆盖在传热管外表面，半圆柱形单元金属薄片对齐连接，形成一个圆柱形，靠紧固件的压力紧固地套在放置有导热填料的传热管的外表面，多个单元金属薄片紧凑连接，并通过前后两端紧固件紧固在传热管外表面。
超疏水表面为微纳米结构，毛刺突起大约为20微米。它是根据仿生学设计而成，超疏水表面具有自清洁效应，也叫荷花效应，因为荷叶表面具有出淤泥而不染的优点，是因为荷叶在电子显微镜下观察，表面与毛玻璃相似，密布20微米大小的毛刺，这样的界面称为超疏水界面。当换热器壳程流体流经传热管的外表面时，由于传热管外表面积的增加，增强了传热的效果，同时，由于表面具有微纳米结构，一定程度上破坏壳程流体边界层，起到扰流作用，增加了湍动程度，也起到强化传热作用，另外，因为超疏水表面的自清洁功能，使任何杂质不易沉积在传热管外表面，可以降低热阻，提高传热系数。
为降低成本以及方便加工、减小所占的壳程空间，单元金属薄片的厚度不超过1mm，单元金属薄片的材质可以是铜、铝等易导热材料，根据实际市场价格、壳程介质等因素来选择。导热填料包括导热硅胶、导热硅脂、导热粘合剂、导热硅胶垫片等热界面材料，用来填充单元金属薄片与传热管之间的间隙，使杂质、空气等导热系数较低的介质不易进入，其作用和电脑CPU与散热片之间的导热硅脂作用类似。导热填料要具有耐高温、耐酸碱、耐油等性质中的一种或多种。紧固件的种类不限，可以是夹箍紧固或螺栓紧固等，在满足夹紧作用的前提下，其宽度尽量窄，数量尽量少，以减少占据单元金属薄片的轴向长度。
本发明的有益效果是：
1.单元金属薄片外表面的超疏水表面能够扩大传热管的换热面积，有益于强化传热；2.由于单元金属薄片表面的微纳米结构破坏边界层，起到扰流作用，有益于强化传热；3.超疏水表面的自清洁功能，使壳程介质中的杂质不易沉积在传热管外表面，提高了换热系数；4.紧固件使传热管的承压能力提高；5.当超疏水表面作用效果降低后，可将单元金属薄片方便地更换，并且单元金属薄片分单元制造，使其较易于适应不同的换热器结构。
附图说明
图1为本发明单元组合式管外强化传热装置外观示意图。
图2为图1的剖视放大图。
图3为图1的A-A剖视放大示意图。
图4为单元金属薄片外表面结构放大示意图。
图中，1-传热管、2-导热填料、3-单元金属薄片、4-紧固件。
具体实施方式
如图1所示，本发明涉及的单元组合式管外强化传热装置的一种实施例子，强化传热装置包括传热管1、导热填料2、单元金属薄片3、紧固件4，导热填料2可选择导热硅胶、导热硅脂、导热粘合剂或导热硅胶垫片等，紧固件可以是夹箍紧固或螺栓紧固等。
本发明管外强化传热装置安装前传热管1外表面需清洗干净。导热填料2选用导热硅脂，将其均匀覆盖传热管外表面，两个半圆柱形单元金属薄片3对齐形成一带微小缺口的空心圆柱，靠紧固件4的压力紧固地套在放置有导热填料2的传热管1的外表面，多个单元金属薄片3紧凑连接，并通过前后两端紧固件4紧固在传热管1外表面。每个单元金属薄片3长度可以根据传热管1长度、折流板位置而确定，为防止因换热器的震荡以及热收缩性而导致折流板对单元金属薄片3的摩擦，传热管1在折流板两边5～10cm处不设该装置；传热管1与管板胀接处5～10cm内不安装该装置，以防热收缩性及胀接应力对单元金属薄片3的损害。根据单元金属薄片3的长度，可以在其表面适当增设紧固件4个数提高压紧力，以提高传热系数并防止杂质、空气等导热系数低的介质进入单元金属薄片3内。本实施例中的单元金属薄片3外表面的超疏水表面为密布20微米高的圆锥形的毛刺，如图4所示，锥底的直径为20微米，该毛刺也可以是底面为多边形、椭圆形等任意形状的锥。单元金属薄片3的最小壁厚保证其具有足够的强度，在安装时不宜破碎。
Claims (7)
1.单元组合式管外强化传热装置，其特征在于：包括传热管、半圆柱形单元金属薄片、夹紧单元金属薄片所需的紧固件、导热填料，半圆柱形单元金属薄片外表面上有超疏水表面，超疏水表面为微纳米结构的毛刺，导热填料均匀覆盖传热管外表面，半圆柱形单元金属薄片对齐连接，形成一个圆柱形，靠紧固件的压力紧固地套在放置有导热填料的传热管的外表面，多个单元金属薄片紧凑连接，并通过前后两端紧固件紧固在传热管外表面。
2.根据权利要求1所述的单元组合式管外强化传热装置，其特征在于：毛刺的形状是底面为圆形、椭圆形或多边形的锥。
3.根据权利要求1所述的单元组合式管外强化传热装置，其特征在于：毛刺高度为20微米，底面直径为20微米。
4.根据权利要求1所述的单元组合式管外强化传热装置，其特征在于：单元金属薄片的材质是铜或铝。
5.根据权利要求1所述的单元组合式管外强化传热装置，其特征在于：导热填料为导热硅胶或导热硅脂。
6.根据权利要求1所述的单元组合式管外强化传热装置，其特征在于：单元金属薄片的厚度不超过1mm。
7.根据权利要求1所述的单元组合式管外强化传热装置，其特征在于：紧固件是夹箍紧固或螺栓紧固。
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