CN102564189A - 一种传热管 - Google Patents

Abstract

一种传热管，属于传热元件，在强化换热的同时，解决现有传热管管内流动局部阻力增加过大的问题。本发明任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为1～2000mm，壁厚b为0.1～20mm；传热管中心轴线为圆柱形螺旋线或者以导程W为周期的三次样条曲线。本发明通过传热管等直径圆形截面螺旋式流道迫使管内流体整体向前旋流，改变速度场与温度场之间协同关系的同时，有效抑制管内流动局部阻力的产生，在沿程阻力增加较小的情况下，实现同功耗下换热增强的效果。

Description

一种传热管

技术领域

本发明属于传热元件，具体涉及一种等直径圆形截面螺旋状传热管。

背景技术

传统换热器上常用的传热管主要包括螺旋槽管、横槽纹管、纵槽管、缩放管、内翅管以及波纹管等，其强化传热机理主要依靠减薄边界层厚度、增加壁面的换热面积以及加强壁面附近流体的扰动等，在换热得到强化的同时，均不同程度存在某些不足，如流阻增大、结焦结垢甚至堵塞、安全性降低以及加工费用增加等，在实际推广应用中受到一定局限。见Bercles A E.Handbook of heat transfer applications.New York：McCraw-Hill，1985；以及Webb R L.Principles of Enhanced Heat Transfer.John Wiley & Sons，New York，ISBN 0-471-57778-2(1994)。

为了克服或弥补上述传热管及其强化传热机理的不足之处，过增元等人从能量方程出发，提出了强化传热的场协同原理，认为流体对流换热的性能取决于速度场与热流场的协同，在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度越好，换热强度就越高；见Cuo Z Y，Li Z Y，Wanc B X.A novel conceptfor convective heat transfer enhancement.Iht.J.Heat MassTransfer，1998，41(2)：2221～2225。现有的采用场协同原理的新型传热管主要包括扭曲椭形截面换热管、交叉椭形截面换热管、急扩加速流缩放管以及管段和/或管段截面呈异型/形的强化换热管等，见(1)孟继安1999年提出的扭曲椭形截面换热管，中国专利号97221659.6；(2)孟继安2004年提出的交叉椭形截面换热管，中国专利号00136122.8；(3)邓先和、陈颖、张亚君2004年提出的急扩加速流缩放管，中国专利号03273853.6；(4)孟继安、过增元、胡桅林等2005年提出的管段和/或管段截面呈异型/形的强化换热管，中国专利号03138077.8。它们主要利用管内截面变化诱导产生的强烈二次流和纵向涡流改变速度场与温度场之间的协同关系来实现换热的强化，流阻相对于传统传热管有一定程度的降低，但由于管内强烈的二次流和纵向涡流的存在，导致管内流动局部阻力明显增加，在换热增强的同时功耗也相应增加，综合节能效果还不够突出。

发明内容

本发明提供一种传热管，在强化换热的同时，解决现有传热管管内流动局部阻力增加过大的问题，通过传热管等直径圆形截面螺旋式流道迫使管内流体整体向前旋流，改变速度场与温度场之间协同关系，有效抑制管内流动局部阻力的产生，在沿程阻力增加较小的情况下，实现同功耗下换热增强的效果。

本发明的一种传热管，其特征在于：

其任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为1～2000mm，壁厚b为0.1～20mm；传热管中心轴线为圆柱形螺旋线或者以导程W为周期的三次样条曲线；

传热管中心轴线为圆柱形螺旋线时，在笛卡尔坐标系中满足下述方程：

x＝a×cosθ，

y＝a×sinθ，

z＝S×θ/2π，

其中，x、y、z分别为圆柱形螺旋线上各点在笛卡尔坐标系中x、y、z轴的坐标，螺旋半径a为0.1～1000mm，变量θ为弧度，螺旋线节距S为1～5000mm；

传热管中心轴线为以导程W为周期的三次样条曲线时，单个导程W内中心轴线在笛卡尔坐标系中符合下述方程确定的三次样条曲线E1：

$x_i\left(t\right)=J_{\mathrm{ix}}+J_{\mathrm{ix}}^{\′}t+[\frac{3(J_{(i+1)x}-J_{\mathrm{ix}})}{t_{i+1}^2}-\frac{2J_{\mathrm{ix}}^{\′}}{t_{i+1}}-\frac{J_{(i+1)x}^{\′}}{t_{i+1}}]t^2+[\frac{2(J_{\mathrm{ix}}-J_{(i+1)x})}{t_{i+1}^3}+\frac{J_{\mathrm{ix}}^{\′}}{t_{i+1}^2}+\frac{J_{(i+1)x}^{\′}}{t_{i+1}^2}]t^3,$

$y_i\left(t\right)=J_{\mathrm{iy}}+J_{\mathrm{iy}}^{\′}t+[\frac{3(J_{(i+1)y}-J_{\mathrm{iy}})}{t_{i+1}^2}-\frac{2J_{\mathrm{iy}}^{\′}}{t_{i+1}}-\frac{J_{(i+1)y}^{\′}}{t_{i+1}}]t^2+[\frac{2(J_{\mathrm{iy}}-J_{(i+1)y})}{t_{i+1}^3}+\frac{J_{\mathrm{iy}}^{\′}}{t_{i+1}^2}+\frac{J_{(i+1)y}^{\′}}{t_{i+1}^2}]t^3,$

$z_i\left(t\right)=J_{\mathrm{iz}}+J_{\mathrm{iz}}^{\′}t+[\frac{3(J_{(i+1)z}-J_{\mathrm{iz}})}{t_{i+1}^2}-\frac{2J_{\mathrm{iz}}^{\′}}{t_{i+1}}-\frac{J_{(i+1)z}^{\′}}{t_{i+1}}]t^2+[\frac{2(J_{\mathrm{iz}}-J_{(i+1)z})}{t_{i+1}^3}+\frac{J_{\mathrm{iz}}^{\′}}{t_{i+1}^2}+\frac{J_{(i+1)z}^{\′}}{t_{i+1}^2}]t^3,$

t∈[t_i，t_i+1]，i∈[1，2，…，n-1]，n∈[6，7，8，9，10]，

其中，x_i(t)、y_i(t)、z_i(t)分别为三次样条曲线上点在笛卡尔坐标系中x、y、z轴的坐标，J_i为中心轴线已知的数据点，其对应的参变量t_i单位为弧度，J_ix、J_iy、J_iz分别为J_i在x、y、z轴的坐标，J_i‘为J_i的一阶导数，J_i、J_i+1和J_i+2确定三次样条曲线E1满足二阶导数连续的约束条件：

$\left[\begin{array}{ccc}{t}_{i+2}& 2(t_{i+2}+t_{i+1})& t_{i+1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{J}_i^{\′}\\ J_{i+1}^{\′}\\ J_{i+2}^{\′}\end{array}\right]=3[\frac{t_{i+1}}{t_{i+2}}(J_{i+2}-J_{i+1})+\frac{t_{i+2}}{t_{i+1}}(J_{i+1}-J_i)],$

i∈[1，2，…，n-2]，n∈[6，7，8，9，10]，

当n＝6时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/5)、J₃＝(0，-c，2W/5)、J₄＝(-c，0，3W/5)、J₅＝(0，c，4W/5)、J₆＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，2W/5π)、J₆′＝(-c，0，2W/5π)；

当n＝7时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2、t₇＝3π，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/6)、J₃＝(0，-c，W/3)、J₄＝(-c，0，W/2)、J₅＝(0，c，2W/3)、J₆＝(c，0，5W/6)、J₇＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，W/3π)、J₇′＝(-c，0，W/3π)；

当n＝8时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2、t₇＝3π、t₈＝7π/2，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/7)、J₃＝(0，-c，2W/7)、J₄＝(-c，0，3W/7)、J₅＝(0，c，4W/7)、J₆＝(0，0，5W/7)、J₇＝(c，0，6W/7)、J₈＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，2W/7π)、J₈′＝(c，0，2W/7π)；

当n＝9时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2、t₇＝3π、t₈＝7π/2、t₉＝4π，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/8)、J₃＝(0，-c，W/4)、J₄＝(0，0，3W/8)、J₅＝(-c，0，W/2)、J₆＝(0，c，5W/8)、J₇＝(0，0，3W/4)、J₈＝(c，0，7W/8)、J₉＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，W/4π)、J₉′＝(c，0，W/4π)；

当n＝10时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2、t₇＝3π、t₈＝7π/2、t₉＝4π、t₁₀＝9π/2，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/9)、J₃＝(0，-c，2W/9)、J₄＝(0，0，W/3)、J₅＝(-c，0，4W/9)、J₆＝(0，0，5W/9)、J₇＝(0，c，2W/3)、J₈＝(0，0，7W/9)、J₉＝(c，0，8W/9)、J₁₀＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，2W/9π)、J₁₀′＝(-c，0，2W/9π)；

上式中，c为中心轴线偏离z轴的最大距离，c＝0.1～1000mm，导程W为一个周期内中心轴线在z轴上的长度，W＝1～5000mm。

与现有技术相比，本发明具有以下显著特点：

(1)传热管横截面始终为等直径圆形，可减小管内流动局部阻力的产生，且便于生产加工及现有设备改造。

(2)传热管等直径圆形截面周期性螺旋状流道，可使管内流体在离心力的作用下整体向前旋流，从而增强流体的径向混合，减小速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角，提高换热效果；同时管内整体旋流不产生强烈的二次流和纵向涡流，局部阻力很小或几乎为0，沿程阻力增加较少，综合节能效果突出。

(3)传热管管内整体旋流，可有效抑制管壁结垢的产生，提高换热器的使用寿命及安全性能，特别适用于采用高粘度、不洁净及易结焦换热工质的场合。

(4)传热管应用于管壳式换热器中，可通过相邻螺旋状传热管的接触点实现相互支撑和固定，省略了壳侧折流板、折流杆等支撑部件，使得换热器结构紧凑，体积比一般换热器小，而换热面积比一般换热器大，节省了投资费用。

数值计算表明，相同功耗下，本发明的换热量相比于等直径、等换热面积的光滑圆管可提高20％～30％左右。

附图说明

图1为本发明实施例一～实施例三单个节距的结构示意图；

图2A为图1的主视图；

图2B为图2A的左视图；

图3为中心轴线为圆柱形螺旋线的示意图；

图4为本发明实施例四～实施例七单个导程的结构示意图；

图5A为图4的主视图；

图5B为图5A的左视图；

图6为中心轴线为三次样条曲线的示意图；

图7为实施例四不同Re数下努谢尔数Nu的变化曲线图；

图8为实施例四不同Re数下摩擦阻力系数f的变化曲线图；

图9为实施例四不同Re数下性能评价系数PEC的变化曲线图；

图10为实施例四不同Re数下效能评价系数EEC的变化曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例一～实施例三如图1、图2A、图2B、图3所示：

实施例一，传热管管长L＝5mm，任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为1mm，壁厚b为0.1mm；传热管中心轴线为圆柱形螺旋线，螺旋半径a为0.1mm，螺旋线节距S为1mm。

实施例二，传热管管长L＝5m，任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为1000mm，壁厚b为10mm；传热管中心轴线为圆柱形螺旋线，螺旋半径a为500mm，螺旋线节距S为2500mm。

实施例三，传热管管长L＝50m，任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为2000mm，壁厚b为20mm；传热管中心轴线为圆柱形螺旋线，螺旋半径a为1000mm，螺旋线节距S为5000mm。

实施例四～实施例七如图4、图5A、图5B、图6所示：

实施例四，传热管管长L＝480mm，其任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为20mm，壁厚b为1mm；传热管中心轴线为以导程W为周期的三次样条曲线，单个导程W内中心轴线在笛卡尔坐标系中符合所述三次样条曲线E1，中心轴线偏离z轴的最大距离c＝3mm，导程W＝120mm。

对本实施例进行数值模拟计算，给定条件如下：

计算流体为水，雷诺数Re的范围为300～1800，边界条件为：给定均匀进口温度T_in及速度u，出口为出流条件，壁面给定温度T_w＝350K。

流场雷诺数Re由下式给定：

Re＝u×d/υ，

式中υ为流体运动黏度，d为管内径。

为了分析管内的换热和阻力特性，阻力系数f定义为：

$f=\frac{2\mathrm{d\ΔP}}{{\mathrm{\ρLV}}_m^2},$

式中ΔP为计算模型的进出口压降，ρ为流体密度，L为管长，V_m为流体平均速度。

传热管壁面与流体间的对流换热量Q定义为：

$Q=\frac{c_p{\mathrm{\ρu\πd}}^2(T_{\mathrm{out}}-T_{\mathrm{in}})}{4},$

式中c_p为流体比热容，T_out为流体出口温度。

对流换热系数h和努谢尔数Nu定义为：

$h=\frac{Q}{\mathrm{\πdL}(T_w-T_f)},$

$\mathrm{Nu}=\frac{\mathrm{hd}}{\mathrm{\λ}},$

式中：T_f为流体平均温度，λ为流体导热系数。

换热与阻力的性能评价系数PEC及效能评价系数EEC定义为：

$\mathrm{PEC}=\frac{\mathrm{Nu}/{\mathrm{Nu}}_0}{{(f/f_0)}^{1/3}},$

$\mathrm{EEC}=\frac{Q/Q_0}{\mathrm{\ΔP}/\mathrm{\Δ}{P}_0},$

上式中，Nu₀表示与传热管管径及换热面积相等的光管的努谢尔数，f₀为光管阻力系数，Q₀为光管的对流换热量，ΔP₀为光管进出口压降。

传热管换热与阻力计算结果如图7～图10所示。由图7、图8可见，与管径及换热面积相等的光管比较，黑色圆点表示的本发明传热管对流换热系数Nu可达黑色三角点表示的光管对流换热系数的2倍以上，而本发明传热管摩擦阻力系数f不到光管的1.5倍。由图9、图10可见，黑色圆点表示的本发明传热管性能评价系数PEC值最高可达2以上，效能评价系数EEC在1以上，最高可接近1.3左右。

实施例五，传热管管长L＝5mm，其任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为1mm，壁厚b为0.1mm；传热管中心轴线为以导程W为周期的三次样条曲线，单个导程W内中心轴线在笛卡尔坐标系中符合所述三次样条曲线E1，中心轴线偏离z轴的最大距离c＝0.1mm，导程W＝1mm。

实施例六，传热管管长L＝5000mm，其任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为1000mm，壁厚b为10mm；传热管中心轴线为以导程W为周期的三次样条曲线，单个导程W内中心轴线在笛卡尔坐标系中符合所述三次样条曲线E1，中心轴线偏离z轴的最大距离c＝500mm，导程W＝2500mm。

实施例七，传热管管长L＝50000mm，其任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为2000mm，壁厚b为20mm；传热管中心轴线为以导程W为周期的三次样条曲线，单个导程W内中心轴线在笛卡尔坐标系中符合所述三次样条曲线E1，中心轴线偏离z轴的最大距离c＝1000mm，导程W＝5000mm。

Claims (1)

1.一种传热管，其特征在于：

其任一横截面形状均为相等直径的圆形，传热管内径d为1～2000mm，壁厚b为0.1～20mm；传热管中心轴线为圆柱形螺旋线或者以导程W为周期的三次样条曲线；

传热管中心轴线为圆柱形螺旋线时，在笛卡尔坐标系中满足下述方程：

x＝a×cosθ，

y＝a×sinθ，

z＝S×θ/2π，

其中，x、y、z分别为圆柱形螺旋线上各点在笛卡尔坐标系中x、y、z轴的坐标，螺旋半径a为0.1～1000mm，变量θ为弧度，螺旋线节距S为1～5000mm；

传热管中心轴线为以导程W为周期的三次样条曲线时，单个导程W内中心轴线在笛卡尔坐标系中符合下述方程确定的三次样条曲线E1：

$x_i\left(t\right)=J_{\mathrm{ix}}+J_{\mathrm{ix}}^{\′}t+[\frac{3(J_{(i+1)x}-J_{\mathrm{ix}})}{t_{i+1}^2}-\frac{2J_{\mathrm{ix}}^{\′}}{t_{i+1}}-\frac{J_{(i+1)x}^{\′}}{t_{i+1}}]t^2+[\frac{2(J_{\mathrm{ix}}-J_{(i+1)x})}{t_{i+1}^3}+\frac{J_{\mathrm{ix}}^{\′}}{t_{i+1}^2}+\frac{J_{(i+1)x}^{\′}}{t_{i+1}^2}]t^3,$

$y_i\left(t\right)=J_{\mathrm{iy}}+J_{\mathrm{iy}}^{\′}t+[\frac{3(J_{(i+1)y}-J_{\mathrm{iy}})}{t_{i+1}^2}-\frac{2J_{\mathrm{iy}}^{\′}}{t_{i+1}}-\frac{J_{(i+1)y}^{\′}}{t_{i+1}}]t^2+[\frac{2(J_{\mathrm{iy}}-J_{(i+1)y})}{t_{i+1}^3}+\frac{J_{\mathrm{iy}}^{\′}}{t_{i+1}^2}+\frac{J_{(i+1)y}^{\′}}{t_{i+1}^2}]t^3,$

$z_i\left(t\right)=J_{\mathrm{iz}}+J_{\mathrm{iz}}^{\′}t+[\frac{3(J_{(i+1)z}-J_{\mathrm{iz}})}{t_{i+1}^2}-\frac{2J_{\mathrm{iz}}^{\′}}{t_{i+1}}-\frac{J_{(i+1)z}^{\′}}{t_{i+1}}]t^2+[\frac{2(J_{\mathrm{iz}}-J_{(i+1)z})}{t_{i+1}^3}+\frac{J_{\mathrm{iz}}^{\′}}{t_{i+1}^2}+\frac{J_{(i+1)z}^{\′}}{t_{i+1}^2}]t^3,$

t∈[t_i，t_i+1]，i∈[1，2，…，n-1]，n∈[6，7，8，9，10]，

其中，x_i(t)、y_i(t)、z_i(t)分别为三次样条曲线上点在笛卡尔坐标系中x、y、z轴的坐标，J_i为中心轴线已知的数据点，其对应的参变量t_i单位为弧度，J_ix、J_iy、J_iz分别为J_i在x、y、z轴的坐标，J_i‘为J_i的一阶导数，J_i、J_i+1和J_i+2确定三次样条曲线E1满足二阶导数连续的约束条件：

$\left[\begin{array}{ccc}{t}_{i+2}& 2(t_{i+2}+t_{i+1})& t_{i+1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{J}_i^{\′}\\ J_{i+1}^{\′}\\ J_{i+2}^{\′}\end{array}\right]=3[\frac{t_{i+1}}{t_{i+2}}(J_{i+2}-J_{i+1})+\frac{t_{i+2}}{t_{i+1}}(J_{i+1}-J_i)],$

i∈[1，2，…，n-2]，n∈[6，7，8，9，10]，

当n＝6时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/5)、J₃＝(0，-c，2W/5)、J₄＝(-c，0，3W/5)、J₅＝(0，c，4W/5)、J₆＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，2W/5π)、J₆′＝(-c，0，2W/5π)；

当n＝7时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2、t₇＝3π，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/6)、J₃＝(0，-c，W/3)、J₄＝(-c，0，W/2)、J₅＝(0，c，2W/3)、J₆＝(c，0，5W/6)、J₇＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，W/3π)、J₇′＝(-c，0，W/3π)；

当n＝8时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2、t₇＝3π、t₈＝7π/2，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/7)、J₃＝(0，-c，2W/7)、J₄＝(-c，0，3W/7)、J₅＝(0，c，4W/7)、J₆＝(0，0，5W/7)、J₇＝(c，0，6W/7)、J₈＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，2W/7π)、J₈′＝(c，0，2W/7π)；

当n＝9时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2、t₇＝3π、t₈＝7π/2、t₉＝4π，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/8)、J₃＝(0，-c，W/4)、J₄＝(0，0，3W/8)、J₅＝(-c，0，W/2)、J₆＝(0，c，5W/8)、J₇＝(0，0，3W/4)、J₈＝(c，0，7W/8)、J₉＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，W/4π)、J₉′＝(c，0，W/4π)；

当n＝10时，t₁＝0、t₂＝π/2、t₃＝π、t₄＝3π/2、t₅＝2π、t₆＝5π/2、t₇＝3π、t₈＝7π/2、t₉＝4π、t₁₀＝9π/2，J₁＝(0，0，0)、J₂＝(c，0，W/9)、J₃＝(0，-c，2W/9)、J₄＝(0，0，W/3)、J₅＝(-c，0，4W/9)、J₆＝(0，0，5W/9)、J₇＝(0，c，2W/3)、J₈＝(0，0，7W/9)、J₉＝(c，0，8W/9)、J₁₀＝(0，0，W)，J₁′＝(c，0，2W/9π)、J₁₀′＝(-c，0，2W/9π)；

上式中，c为中心轴线偏离z轴的最大距离，c＝0.1～1000mm，导程W为一个周期内中心轴线在z轴上的长度，W＝1～5000mm。

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