CN101846478A - 管道 - Google Patents

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米罗斯拉夫·波霍尔斯基
沃尔夫冈·舒格
沃尔夫冈·霍尔滕
汉斯-格奥尔格·施赖
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Abstract

本发明涉及用于传导流动的初级流体的管道，具有带有外部肋片的传热壁，其外侧至少部分可以通过次级流体，从而除肋片之外，管壁包括外侧结构表面。本发明还涉及带有本发明的管道和空气冷凝器的热交换器，特别涉及带有本发明的热交换器的自然通风冷却塔。

Description

管道
本申请是申请日为2004年12月1日、申请号为200410096811.2、发明名称为“管道”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及管道、热交换器及空气冷凝器。
背景技术
在各种流体应用中，即液体、气体或二者的混合物，例如水、蒸汽或空气，用于输送热量。传热器，也称为热交换器，用于将热量传送到运输及储存介质。热交换器通常至少有一个管道，通过该管道输送第一流体，以下称为初级流体。初级流体透过管壁与环境进行热交换。环境可以是直接相连的部件，也可以是第二流体，为区别起见，以下称为次级流体。
在电站技术中，初级流体通常是热水或蒸汽，并被导引到热交换器的初级侧，也称为蒸汽侧，例如内部。而次级流体通常是围绕在热交换器外部(空气侧或次级侧)并流通的气体。在此情况下，管壁除引导初级流体外，还用于在初级流体与次级流体之间进行热交换。
带有特种管道的热交换器在电站领域中有多种用途，可用于从经过热能处理的初级流体中提取残留能量，进而冷却初级流体。例如，空气冷凝器中的热交换器用于从轮机废汽回收锅炉水。通过轮机后，蒸汽在空气冷凝器中的热交换器内凝结成水，水又回流到锅炉。这样完成锅炉水循环。
电站热交换器所用的现有管道装置通常包含内表面光滑的管壁，以便初级流体在管道内流动时遇道的阻力较小。通过这种方式，可以最大程度地减少保持初级流体流动所需的能量。此类热交换器管道在接触次级流体的外部一般具有肋片(ribs)以便增大换热表面积。这些肋片通常是焊接到管体外表面的铝条。管体通常由耐压钢管及至少在外面包裹的铝层组成。
管道中的流体可能处于层流或紊流状态，流动状态根据平均流速、管道剖面形状、初级流体的黏性以及其它因素而定。初级流体层流边界层出现在管壁区，即使在紊流状态也是如此。由于此边界层，初级流体与管壁之间的热交换只在接近管壁的区域才充分进行。因此，初级流体提供的大部份热量不能被有效利用。
所以，现有技术说明要在管道内提供障碍，破坏层流，形成紊流，提供更好的单独初级流体流动分量的混合。通过这种方式可实现对初级流体热量利用的重大改进。但是，结果会造成管道流动阻力的显著增加。因此，使初级流体流动并保持流动状态所需的支出将显著增大。这在热螺旋与热交换器中有显著的负面影响，因为效率明显下降。
热交换器的最优性能根据可传递的热量、热交换器管道中的流动阻力以及其他因素而定。这导致热交换器中流动关系的需求出现冲突。换言之，为了最大程度地减少流动损失，希望管道中的流体大部份是层流，而小部份有偏差。另一方面，希望有紊流，因为紊流会使初级流体的热交换性能更好。
现有的热交换器只部份满足这些需求。由于其大部份层流而出现小的压力损失的热交换器通常只有少量的热交换，因此，经过的初级流体的大部份热量散发得非常缓慢。另一方面，以其明显的紊流而可能具有良好热交换能力的热交换器依赖于具备高压的第一流体，高压可补偿管道内部额外分量或结构(形成不同的紊流)而导致的大的压力损失。通常需要提供增大压力的装置，例如压缩机、泵等。
发明内容
本发明的目的是为热交换器设计一种特种管道，在少量压力降低的情况下改进管道内初级流体与管道外次级流体之间的热交换。
通过权利要求1所指的管道、权利要求13所指的热交换器与权利要求16所指的空气冷凝器来实现这一目标。优选的开发源至从属权利要求。
因此，本发明提出用于引导流动初级流体的带管壁的管道，热量在初级流体与管壁之间进行交换。高导热性的管壁除传统的肋片以外，还独创性地在其接触次级流体的外表面具有额外的结构化表面。
因此，假定是光滑的内壁，初级流体与管壁之间出现热交换。与现有管道、热交换器和空气冷凝器相比，可以显著减少初级流体中的压力损失。通过管道外表面上的热交换(通过次级流体中的紊流强化甚至超越)，独创性地补偿与初级流体热交换有关的最初减少。通过形成紊流的结构，肋片之间的次级流体经过特意地更加强烈的混合，从而增大了初级流体与次级流体之间的热交换。
在电站热交换器或空气能冷凝器中，这种配置有特别显著的正面影响，例如自然通风冷却塔，在该装置中，通常采用内部摩擦很小的空气作为次级流体。在自然通风冷却塔及工业热交换器中，通过类似的自形成流动来增强这些正面影响，在物理效应的帮助下，空气通常会显示这些特性；结果，形成紊流的表面结构不会对次级流体的流动产生显著的负面影响，也不会要求提高泵的推力。因此，如果热交换器采用这种设计的管道，可以忽略初级流体回路中泵等昂贵的装置。在较低的生产成本下，该发明装置的性能因而得以显著提升。
可以在管道的肋片全部或部份配置形成紊流的表面结构，或只在冷却肋片之间的外壁区域进行配置。重要的是这些结构不是简单的肋片，而是遍布管道外表面的凸起或凹陷的圆角结构。这种特殊的形状具有以下优点：形成相对很低的流动阻力，但同时在次级流体中生成良好的紊流。
首先，这种方式可以改善对流体与管壁之间热交换的有冲突的需求。以结构化表面为基础，在初级流体稍有压力下降的情况下，有可能显著提升热传递能力。
通过结构化表面，可以增加管壁区域次级流体的紊流，从而改善热传递。还可以减少外壁区域内的边界层。同时，以独特的位置与形状为基础，可以最大限度地将紊流减少到次级流体中的压力损失不会明显增大的程度。
可以通过管壁自身或通过覆层形成结构化表面。但是最好通过管道的肋片形成结构化表面。例如，可压制肋片，在两侧均形成结构化表面。管壁、肋片或覆层可具有相对于次级流体而言较高的摩擦系数，以便形成必要的紊流。管壁的特性与结构化表面的性质有利于通过的流体，因而可以实现最佳效果。例如，可以为高黏性流体提供非常细小的表面结构，为低黏性流体提供粗糙的结构。流体的流速也可以影响结构化表面，必须考虑在内。
可以在接触流体的一侧部份地提供结构化表面。当结构化表面遍布管道整个长度和/或外围时也有利。同样，布置在对热传递而言特别重要的位置时也有利。因此，在只用于推动流体的区域，管道可包含光滑表面；在用于热交换的区域，可使用独创性的表面。
在本发明的开发中，建议结构化表面包含凸起(formations)。这些凸起有利于在管壁内形成，并凸入到次级流体中。它们也增大管壁的表面面积。选择凸起相对于另一个凸起的大小、数量及配置，以便忽略对次级流体中压力下降的影响。同时，凸起引起肋片间管壁区域内流体的紊流。通过现有方法即可便宜地形成此表面。
进一步建议结构化表面包含凹陷(depressions)。通过凹陷以及凸入流体中的凸起，可以在管壁区域增加次级流体的紊流。还进一步增大管道的外表面面积，从而增强与次级流体的热交换。此外，带有外部凹陷的管道的制造费用也很低，例如，仅需要在管壁外表面压花即可。
进一步建议在次级流体的流向上交替安排凸起与凹陷。在紊流特别大的次级蒸汽中，可以实现特别有益的热交换。特别是在根据流体考虑因素交替安排凸起与凹陷时，根据流体的流动机制而定，可以显著提升热传递能力。
进一步假定凸起和/或凹陷形成统一的图案。因此，举例而言，可以在流动方向上错列凸起或凹陷。可以调整凸起和/或凹陷的形状以获的最佳的热交换能力。因此，形状可以是球截形、圆锥形，棱锥形等。
在本发明的开发中，建议凸起和/或凹陷偏离接触流体的管壁的中心线十分之几个毫米。这种方式可以进一步减少压力下降。
进一步假定凸起和/或凹陷偏离接触流体的表面中心线百分之几个毫米。可以进一步减少压力下降。可综合凸起或凹陷偏离中心线的距离以及凸起或凹陷的形状。
在本发明的优选开发中，建议在至少一根管道中沿管道纵向布置一个导热性的可渗透曲流结构，管道在其反转点至少部份与相邻盖板进行热交换。曲流结构指遍布管道整个宽度和长度的最优统一皱折钢条。钢条皱折的槽纹形成接触线，钢条通过接触线焊接或黏接到管体。在另一侧，皱折的峰顶形成与层叠盖板的接触线。从侧视图中观察，沿次级流体流动方向出现一个贯穿曲流结构的直线流动通道，而波浪形肋片以弯曲形式均匀的来回地前行。
采用这种方式容易加大传热表面。另外，也可提供带有结构表面的曲流结构，进一步增加传热能力。通过焊接、熔接、粘胶或此类形式可实现热连接。
该发明进一步提议带有管道的热交换器，液体可以通过管道，相互换热，其中至少提供一种创新性管道。
采用这种方式容易增加创新性热交换器的传热能力，不用加大其结构形状和/或接受初级流体的更高压力降。因此，现有设备可以改装传热能力更高、不需要额外空间的创新性热交换器。除此以外，换热能力相同的热交换器结构形状可以更小，以节约现有设备空间。由于初级流体压力降保持基本相同或甚至降低，不需采用其它措施，例如提供额外压缩机之类。
除此以外，通过结构表面方式，可以增加具有此类表面的管道以及热交换器外罩的刚性。因此可以承受增加的机械应变。
进一步提议至少有一部分管道构成板状管道配置。通过固定板状管道配置，可以形成热交换器的容易适配结构形状。
根据进一步的开发，热交换器由许多层叠的板状管道配置构成，不同液体可以交替通过邻近的板状管道结构。因此，可以实现通过不同管道配置从一种液体到另一种液体的高传热能力，根据层叠，可调节性能优良。
该发明进一步提议冷凝蒸汽，特别是电厂轮机蒸汽的空气冷凝器，其中需要冷凝的蒸汽可以通过蒸汽供给管道和配置传递到热交换器，提供的蒸汽管道用于去除冷凝物以及转移惰气，热交换器是一种具有上述优点的创新性热交换器。由于传热能力提高，空气冷凝器结构形状可能更小，生产成本效率更高。
如上所述，创新性空气冷凝器的首选设备是自然通风冷却塔，因为这样特别能够展现上述优点。
附图说明
现在结合在附图中表示的示范性实施例详细描述本发明。基本相同组件分配相同参考标号。图标如下：
图1为本发明热交换器部分透视图；
图2为具有表面结构的本发明肋片的第一实施例；
图3为具有表面结构的本发明肋片的第二实施例；以及
图4为图2所示通过具有表面结构的本发明肋片的第三实施例的IV-IV截面。
具体实施方式
图1表示具有本发明管道2的创新性热交换器1的一部分，用于传导初级流体。管道2由宽平底座形状管壁3构成，采用相互隔开一定距离的两块平行板4和5组成，两块平行板横向连接半圆形管6和7。管道2的管壁3由外部耐压防腐蚀镀铝钢材构成。
管壁3的平面侧4和5是两条皱折铝带8和9，形成管道2的外部肋片，也称为散热片。两条皱折肋片8和9的外部反转点10分别是两块覆盖板11和12。覆盖板11和12增加肋片8和9的刚性，增加管道2的换热表面，可以容易地层叠(stack)几根管道2或者邻近放置。因此，容易构成换热板1，层叠结构方便安装在冷却塔内及从其中拆除。
在内部反转点13，皱折带或肋片8和9与管道2的传热壁3的外部平面4和5进行热交换。在本例中，采用耐高温导热胶连接实现热接触。也可采用熔接或焊接缝实现这种接触。与覆盖板11和12一样，肋片8和9由铝材制成，也可以使用导热性好的其它材料。
基于波纹状覆盖肋片8和9，底座上有许多次级流体的流动通道14。在横截面上，连续流动通道14及来回前行的肋片8和9与覆盖板11和12分别形成两个曲流结构15和16。
基于垂直于初级流体流向的肋片8和9的对准，初级流体和次级流体可以交叉流形式通过管道2。蒸汽可以初级流体形式通过管道2，空气可以次级流体形式通过外部通道14。因此，初级流体通过的管道2及其管壁3以及流动通道14相隔一定距离，两种流体不会混合。
在外部，图2所示管道2的管壁3包括具有结构表面17的肋片7。结构表面17由方形和三角形结构构成，其中替代凸起18和凹陷19沿初级流体方向形成统一型式。凸起18和凹陷19交错分开。
图3所示结构表面17仅延伸到肋片8或9的横向边缘区域。结构表面17由耐热塑料截头棱锥20构成，具有矩形底座，用胶粘到肋片8上。在此实施例中，沿流量方向连续成对提供突起(elevations)18，突起彼此相隔距离长。在此示例中，相对于肋片8表面的突起18的高度大约为0.07毫米。
正如通过图4所示结构表面17的第三可替换实施例部分显示，肋片8也可由圆形凸起18和凹陷19构成。在压成波纹状和固定到管壁3之前，可以采用球形压花模(embossing die)将这些凸起压入肋片8内。相对于肋片表面，肋片8内凸起18的高度或深度大约为0.3毫米。
图中所示的示范性实施例仅用作说明，并不用来限制本发明。特别是凹陷形状及其管道配置可以改变。

Claims (12)

1.用于传导流动的初级流体的管道(2)，具有带外部肋片(8，9)的传热壁(3)，次级流体至少可以部分通过其外侧，其特征在于，
除肋片(8，9)以外，管壁(3)包括其外侧的结构表面(17)。
2.如权利要求1所述的管道，其特征在于，
该结构表面(17)至少部分位于肋片(8，9)上。
3.如权利要求1或2所述的管道，其特征在于，
该结构表面(17)包括凸起(18)。
4.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
该结构表面(17)包括凹陷(19)。
5.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
该结构表面(17)对准次级流体流动方向，这样凸起(18)和凹陷(19)沿流向交替排列。
6.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
凸起(18)和/或凹陷(19)构成统一型式。
7.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
沿次级流体流动方向的凸起(18)和/或凹陷(19)的大小等于十分之几毫米。
8.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
沿次级流体流动方向的凸起(18)和/或凹陷(19)的大小等于百分之几毫米。
9.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
许多肋片由皱折肋片(8，9)构成。
10.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
皱折肋片(8，9)沿管道(2)纵向延伸。
11.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
皱折肋片(8，9)被在与管壁(3)相对侧的覆盖板(11，12)覆盖，并形成次级流体可以通过的曲流结构(15，16)。
12.如前述权利要求之一所述的管道，其特征在于，
皱折肋片(8，9)在转折点(10，13)熔接和/或胶粘到管壁(3)和覆盖板(11，12)上。
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