CN102435087A - 一种e型轴对称强化换热元件 - Google Patents

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Abstract

一种E型轴对称强化传热元件，其板翅的设计极大的增加了换热面积；元件内流体被分割成不同流动空间，增强了对流换热系数；采用该板翅的结构，在具有凝结相变换热的场合，不仅增加凝结换热的壁面，而且板翅直接插入主流温度区，完全破坏了无板翅情况下的径向温度分布模式，在具有冷凝的情况下，极大地减薄了不凝结气体边界层厚度，主流中凝结相只要穿过较薄的不凝性气体边界层即能够在板翅壁面上发生凝结换热，相对的冲压成形、焊接或铸造板翅顶端之间留有2～3mm的间隙，在板翅上打孔，或把板翅做成球形或条形鼓泡、波形、分段的锯齿板翅或者交叉的锯齿板翅结构使得E型传热元件换热面积增加，同时在对流换热时能增强气流湍流度，增大气流与翅片间的换热，在具有相变的换热时能够有效撕裂凝结液膜，增大冷凝换热系数。

Description

一种E型轴对称强化换热元件
技术领域
本发明属于传热学的工程应用技术领域，涉及一种换热器单元结构，特别是一种E型轴对称强化换热元件。
背景技术
换热器在国民经济的各行业有着广泛的应用，是能源、石油、化工、冶金、动力、轻工、食品乃至航空航天行业中最常见的设备之一。它不仅是保证工艺流程和条件所广泛使用的设备，而且也是开发二次能源，实现热回收节约能源消耗的重要设备。开发设计先进的强化传热元件以及换热设备的合理设计、运转和改进对于节省金属、能源、资金和空间而言是十分重要的。
内翅式换热单元作为强化换热元件应用于换热设备已在国外应用多年。在换热单元中加入内翅片，既能够在一定程度上增加换热面积，又改变了流体在管内的流动型式和阻力分布，提高了换热系数。
采用内翅式换热单元能够起到两个作用，一是提高管内工质到管壁的换热系数；另一是降低管壁温度。管内存在内翅片后，通道截面的当量直径减小，由于当量直径的减小和内壁换热面积的增大，使直内翅管的换热系数远高于光管。因而在相同换热量时，与光管相比能够保持较低的管壁温度，不仅能提高单相气流对流换热系数，同时适合于冷凝产生的场合，当有冷凝相变换热时，较低的金属壁温能够获得较大的冷凝量和较好的冷凝效果。
采用内翅式换热单元取代普通光管是一种强化管内流体对流换热的方法，适用于管内侧热阻大于管外侧热阻的情况。内翅对换热元件内流体换热强度的影响是从两方面实现的。一是内翅把管子分成了许多当量直径较小的流体通道，能够增加元件内侧的换热面积。另外一方面，翅片的合理配置还能够改善管内的流动工况：在翅高和翅片数的一定组合下，在管子中心和翅间空间会形成有利于换热的二次流，使换热效果明显提高。
目前常见的高翅内翅结构都采用中心对称翅片的方式，这种排列方式虽然能够在一定程度上将管内空间分为当量直径较小的流体通道，增加元件内侧的换热面积。但在内翅结构采用等高翅片中心对称的方式有以下不足之处：
1、流体流场未能得到有效的破坏，中心对称等高翅片能够破坏近壁面流体边界层，但翅片未深入到流体中心，不能实现换热元件中心流体完全湍流。较低的湍流度极大限制对流换热系数提高。
2、不能完全破坏气流温度径向分布模式，气流中心不能得到翅片低温表面的冷却，仍然存在局部高温气流区域，无法实现流通截面换热过程的温度均匀最大化。在有相变的换热过程中，气流中心部分温度较高，高于烟气水露点，冷凝只能在壁面附近发生，将限制了冷凝换热系数的提高。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种E型轴对称强化换热元件，采用轴对称板翅来强化传热，在应用于工业实践时，能够采用分体铸造、冲压成形或者整体对焊技术制造，材料也能够根据实际需求选用铸铝、铝硅合金或钛合金等金属材料。这种结构的传热元件有很高的翅化比，在仅有气体对流换热的情况下，板翅的布置大大增强了元件内热气体的对流扰动，改变了传热元件内从轴心到传热元件壁面的层状温度场分布，冲压成形、焊接或铸造在基板上的板翅深入到烟气中心，将高温烟气分割成板翅间的烟气薄层，有效地减小了从烟气主流到壁面的温度梯度，连续不断地破坏壁面和烟气中心的流动边界层，强化了对流换热；在存在相变的换热过程中，强化换热元件结构通过强化流体湍流度，显著削弱了不凝性气体层对水蒸气凝结换热的阻碍，烟气主流中的水蒸气不必穿过较厚的不凝性气体层即能够在板翅的壁面上发生凝结，并有效地扩大了凝结换热面积；高板翅直接插入烟气主流温度区，完全破坏了烟气流通截面存在的从截面轴心到壁面主流温度逐步降低的温布分布模式，有效地减小了从烟气主流到壁面的温度梯度，相对的板翅顶间隔有隔一定的距离，在板翅上打孔，或把翅片做成球形或条形鼓泡、波形、以及分段、交叉的锯齿翅片等，使得E型传热元件换热面积增加，在对流换热时能增强气流湍流度，增大气流与翅片间的换热，在具有相变的换热时能够有效撕裂凝结液膜，增大冷凝换热系数。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种E型轴对称强化换热元件，包括由顶部为上基板1、底部为底基板2、左侧为左平板3以及右侧为右平板4焊接或铸造而成的框架结构，一个以上的冲压成形、焊接或铸造的板翅5焊接或铸造在上基板1和下基板2之上，上基板1和下基板2上相对的板翅5端部之间留有2～3mm的间隙，上基板1和底基板2之间还焊接有一个以上的拉撑件6。
所述的板翅5为带孔的平板、球形或条形鼓泡、波形、分段锯齿翅片或者交叉锯齿翅片。
所述的框架结构为E形、圆形、椭圆形或腰圆形，当所述的框架结构为圆形、椭圆形或腰圆形时，板翅5为轴对称不等高结构，相对的板翅顶端5之间留有2～3mm的间隙。
所述的框架结构具有能自身支撑的强度与刚度时，无拉撑件6。
所述的强化换热元件的材料采用铸铝、铝硅合金、不锈钢或钛合金。
所述的强化传热元件连接部位能够优先选用搅拌摩擦焊，不需要消耗焊条和药皮，高效、环保，也能够选用其他对接焊接方法，如：埋弧自动焊、钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)或活性气体保护焊(MAG)等焊接方式连接。
该结构的E型轴对称强化换热元件，其板翅5的设计极大的增加了换热面积；元件内流体被分割成不同流动空间，增强了对流换热系数；采用该板翅5的结构，在具有凝结相变换热的场合，不仅增加凝结换热的壁面，而且板翅5直接插入主流温度区，完全破坏了无板翅情况下的径向温度分布模式，在具有冷凝的情况下，极大地减薄了不凝结气体边界层厚度，主流中凝结相只要穿过较薄的不凝性气体边界层即能够在板翅5壁面上发生凝结换热，相对的冲压成形、焊接或铸造板翅5顶端之间留有2～3mm的间隙，在板翅5上打孔，或把板翅5做成球形或条形鼓泡、波形、分段的锯齿板翅或者交叉的锯齿板翅结构使得E型传热元件换热面积增加，同时在对流换热时能增强气流湍流度，增大气流与翅片5间的换热，在具有相变的换热时能够有效撕裂凝结液膜，增大冷凝换热系数。
附图说明
图1为本发明的E形轴对称强化换热元件的结构示意图。
图2为本发明的E型轴对称强化换热元件的板翅表面加工成在波形打孔的剖面示意图。
图3为本发明的E型轴对称强化换热元件的板翅表面加工成锯齿形的剖面示意图。
图4为本发明的E型轴对称强化换热元件的板翅表面加工成圆形或条形鼓泡的剖面示意图。
图5为本发明的E型轴对称强化换热元件框架为椭圆形后结构示意图。
图6为本发明的E型轴对称强化换热元件框架为圆形后结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的说明。
如图1所示，E型轴对称强化换热元件，包括由顶部为上基板1、底部为底基板2、左侧为左平板3以及右侧为右平板4焊接或铸造而成的框架结构，一个以上的冲压成形、焊接或铸造的板翅5焊接或铸造在上基板1和下基板2之上，上基板1和下基板2上相对的板翅5端部之间留有2～3mm的间隙，上基板1和底基板2之间还焊接有一个以上的拉撑件6。该结构区别于任何径向中心对称分布的内翅式换热元件，任何径向的内翅式换热元件无法实现主流区的温度场的均匀化，均存在高温集中区域，高温集中区域的存在极大限制了传热系数的提高。在单相换热过程中，该强化换热元件的板翅深入元件内中心区，将换热元件内高温气体分割成若干换热区域，有效地降低了传统换热元件中气体径向的温度梯度分布模式，改变了传统换热元件内径向截面上的气体温度场分布，改善了传统换热元件中心的惰性换热区的换热效果，实现了截面温度场均匀的最大化。同时，该新型轴对称强化换热元件有效的改善了管内的流场，在翅片间的流动空间内形成较高流速的流场，翅片及翅片上加工出的各种形状的存在加强了扰动，使得湍流增强，强化了流动换热。在具有冷凝相变的换热过程中，强化换热元件强化传热机理得益于：通过板翅的分割作用，将高温烟气分成薄层，极大地减薄了不凝性气体边界层厚度，显著削弱了不凝性气体边界层对水蒸气冷凝的阻碍。烟气主流中的水蒸气只要穿过较薄的不凝性气体边界层即能够在翅片壁面上发生凝结。因此通过单个板翅的深入，以及所有板翅的分割这两种方式的作用，不凝性气体边界层对烟气中水蒸气的冷凝的阻力被降低到最小。采用板翅的结构，板翅直接插入烟气主流温度区，完全破坏了传统换热元件径向温度分布模式，有效地减小了从烟气主流到壁面的径向温度梯度，板翅分割出的每个薄层中，又只有空间对称线上的烟气温度较高，空间两侧贴近翅壁面上的温度都低于水蒸气的饱和温度，低温板翅壁面为水蒸气的凝结提供了足够的温差动力。冷凝后附着在板翅以及框架壁上的冷凝液能够通过重力以及烟气冲刷的作用及时排出，板翅表面打孔，或把翅片做成球形或条形鼓泡、波形、以及分段、交叉的锯齿翅片等结构进一步破坏了液膜厚度，减小了液膜的传热和传质阻力，使冷凝换热进一步增强。如图2、图3和图4所示，所述的板翅5为带孔的平板、球形或条形鼓泡、波形、分段锯齿翅片或者交叉锯齿翅片。如图5和图6所示，所述的框架结构为E形、圆柱形、椭圆形或腰圆形，当所述的框架结构为圆柱形、椭圆形或腰圆形时，板翅5为轴对称不等高结构，相对的板翅5之间留有2～3mm的间隙。所述的框架结构具有能自身支撑的强度与刚度时，无拉撑件6。所述的强化换热元件的材料采用铸铝、铝硅合金、不锈钢或钛合金。与传统铸铁式或不锈钢换热元件相比，铸铝或者铝硅合金应用于换热元件具有以下优势：铝的导热系数是不锈钢的8倍，在燃烧室及水路设计上给出了较大的空间；在抗腐蚀方面，铝能够有效防止酸性腐蚀及氧腐蚀，能够靠性较高；从原料价格，加工性和加工成本来看，铝具有绝对优势。所述的强化传热元件连接部位能够优先选用搅拌摩擦焊，不需要消耗焊条和药皮，高效、环保，也能够选用其他对接焊接方法，如：埋弧自动焊、钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)或活性气体保护焊(MAG)等焊接方式连接。

Claims (6)

1.一种E型轴对称强化换热元件，包括由顶部为上基板(1)、底部为底基板(2)、左侧为左平板(3)以及右侧为右平板(4)焊接或铸造而成的框架结构，其特征在于：一个以上的冲压成形、焊接或铸造的板翅(5)焊接或铸造在上基板(1)和下基板(2)之上，上基板(1)和下基板(2)上相对的板翅(5)端部之间留有2～3mm的间隙，上基板(1)和底基板(2)之间还焊接有一个以上的拉撑件(6)。
2.根据权利要求1所述的E型轴对称强化换热元件，其特征在于：所述的板翅(5)为带孔的平板、球形或条形鼓泡、波形、分段锯齿翅片或者交叉锯齿翅片。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的E型轴对称强化换热元件，其特征在于：所述的框架结构为E形、圆柱形、椭圆形或腰圆形，当所述的框架结构为圆柱形、椭圆形或腰圆形时，板翅(5)为轴对称不等高结构，相对的板翅(5)顶端之间留有2～3mm的间隙。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的E型轴对称强化换热元件，其特征在于：所述的框架结构具有能自身支撑的强度与刚度时，无拉撑件(6)。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的E型轴对称强化换热元件，其特征在于：所述的强化换热元件的材料采用铸铝、铝硅合金、不锈钢或钛合金。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的E型轴对称强化换热元件，其特征在于：所述的强化传热元件连接部位选用搅拌摩擦焊、埋弧自动焊、钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)或活性气体保护焊(MAG)焊接方式连接。
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