CN102679788A

CN102679788A - 一种新型强化换热管

Info

Publication number: CN102679788A
Application number: CN2012101390903A
Authority: CN
Inventors: 李会雄; 雷贤良
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-09-19

Abstract

一种新型强化换热管，由管内壁为至少一个预设长度L1的螺旋肋段和至少一个预设长度L2的光滑段交替顺序排列构成，优选螺旋肋段的最大内径D2和光滑管段的内径D相同，螺旋肋段的长度L1和光滑段的长度L2的比为：L1/L2=0.25～4；该管型既具有螺旋内肋管的强化传热作用，又可减少管内流体的摩擦阻力，减少用于驱动流体循环的泵耗功，既能保持推迟和防止传热恶化的能力，又具有尽可能低的流动阻力；在锅炉水冷壁中使用，可使管内流动介质的自然循环特性得以充分地显现，在保证换热效率的同时，减少管间水力偏差；如在高温换热器中使用，可有效增强流体与高温管壁间的传热，降低管壁温度，既提高换热能力，又可有效降低换热器内流动阻力，使设备更加安全、经济、高效地运行。

Description

一种新型强化换热管

技术领域

本发明属于强化换热技术领域，具体涉及一种新型强化换热管。

背景技术

现有的管内强化传热方法主要有在管内插扭曲带、混合器，或采用机械、物理、化学方法增加管内表面粗糙度，或在管内紧贴管壁插入螺旋丝或采用机械加工方法形成整体异形内肋管等。

现有的换热设备中常采用翅片、槽肋等形式来增大管内传热面积，以此来强化换热；这些强化换热管的传热性能良好，传热系数比光管高3～5倍，发生传热恶化的临界热流密度较光管高。带螺旋结构的强化换热管(如内螺纹管)中流体的旋流作用可有效地提高传热恶化发生时的热流密度和蒸汽干度，较光管而言，可将传热恶化推迟到更高的干度区，并且发生传热恶化时的最高壁温也远低于光管。在诸如锅炉水冷壁等蒸发受热面中采用一定形式的内螺纹管可以在比光管低得多的质量流速和高得多的蒸汽干度条件下维持核态沸腾，内螺纹结构可以有效抑制或推迟膜态沸腾。但是，内螺纹管在强化传热的同时，也使流体在管内的流动阻力大大增加。流动阻力的过分增加对流体循环很不利，也使循环系统的给水泵功耗大为增加。

合理地利用强化传热技术，通过增大换热面积、在边界层内产生搅动等措施可实现减小传热热阻的目的，同时应尽可能使主流部分产生较小的阻力损失，以减小不必要的泵功消耗。为此，研发出一种传热性能高而流动阻力小的新型强化换热管型是十分必要的。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种新型强化换热管，在保证优良传热性能的同时，能够有效地减小介质在管内的流动阻力。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种新型强化换热管，由管内壁为至少一个预设长度L1的螺旋肋段1和至少一个预设长度L2的光滑段2交替顺序排列构成。

所述螺旋肋段1的最大内径D2和光滑段2的内径D相同；

所述螺旋肋段1的长度L1和光滑段2的长度L2的比为：L1/L2=0.25～4。

所述螺旋肋段1的螺旋肋3的螺纹头数为3～6头。

所述螺旋肋段1的螺旋肋3的宽度B=(0.05～0.3)×D2，高度H=(0.08~0.2)×D2。

所述螺旋肋段1的多个螺旋肋3的高度H相同或不同。

所述螺旋肋段1的多个螺旋肋3的宽度B相同或不同。

所述螺旋肋段1的螺旋肋3的横截面形状为三角形、四边形或梯形。

所述螺旋肋段1的螺旋肋3的升角为15～90度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的新型强化换热管，设计有具有一定优化配比的螺旋肋段和光滑段，利用螺旋结构的增大换热面积、强迫流体旋转及扰流作用，破坏管内近壁区的流动与热边界层，也即利用人工方法附加湍流的方法，使流动边界层内产生强烈扰动而减小热阻，增大传热量，达到强化传热的目的，同时，流动工质在螺旋肋结构的强迫作用下产生的旋转作用以及由此导致的高换热性能在光滑管段内得以保持和延续；光滑段内不存在额外的扰动结构，流动阻力减少；与此同时，经过光滑段后的流体再次进入下游的螺旋肋段，如此间隔地进入螺旋肋段和光滑段，充分利用螺旋肋段和光滑段的入口效应，有效地增强换热。因而，该管型既具有内肋管的强化传热作用，又可减少管内流体的摩擦阻力，减少给水泵的功耗；既能保持推迟和防止传热恶化的性能，又具有尽可能低的流动阻力；如在锅炉水冷壁中使用，可使管内流动介质的自然循环特性（自补偿特性）得以充分地显现，在保证换热效率的同时，减少管间水力偏差；如在其它高温换热器中使用，可有效增强流体与高温管壁间的传热，降低管壁温度水平，既提高换热能力，又可有效降低换热器内流动阻力，使设备更加安全、经济、高效地运行。

附图说明

图1为本发明新型强化换热管的结构示意图。

图2为本发明新型强化换热管螺旋肋段L1的径向截面示意图。

图3(a)为本发明新型强化换热管螺旋肋段的螺纹头数为三头时的截面示意图；图3(b)为本发明新型强化换热管螺旋肋段的螺纹头数为四头时的截面示意图；图3(c)为本发明新型强化换热管螺旋肋段的螺纹头数为五头时的截面示意图；图3(d)为本发明新型强化换热管螺旋肋段的螺纹头数为六头时的截面示意图。

图4(a)为本发明新型强化换热管螺旋肋段L1采用三角形螺旋肋的示意图；图4(b)为本发明新型强化换热管螺旋肋段L1采用四边形螺旋肋的示意图；图4(c)为本发明新型强化换热管螺旋肋段L1采用梯形螺旋肋的示意图；图4(d)为本发明新型强化换热管螺旋肋段L1采用肋高不等的螺纹肋的示意图。

图5为本发明实施例1和现有技术换热管的换热性能曲线及阻力特性曲线的对比图。

图6为本发明实施例2和现有技术换热管的换热性能曲线及阻力特性曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种新型强化换热管，由管内壁为至少一个预设长度L1的螺旋肋段1和至少一个预设长度L2的光滑管段2交替顺序排列构成。

如图2所示，所述螺旋肋段1的最大内径D2和光滑管段2的内径D相同，这样的结构使螺旋肋成为凸起，扰动近壁区流体，有效地破坏边界层，促进近壁流体和主流的交换，从而起到强化换热的作用。

优选的，螺旋肋段1的长度L1和光滑管段2的长度L2的比为：L1/L2=0.25～4，充分利用上游螺旋肋段内形成的流体旋转扰动作用，增大管内流体的横向流动速度，促进冷、热流体的混合及其与管壁间的换热；光滑管段进一步利用上游螺旋肋段内已形成的流体旋转及扰动作用，同时利用入口效应区内换热系数高的特点，使整个换热管获得更高的换热系数。考虑到螺旋肋段在不同的入口流速下强迫流体旋转的效应不一致，下游光滑段内流动重新达到稳定所需的管段长度也随之发生变化。测试结果表明，当入口雷诺数较低时，L1与L2的比值应取小于等于1.0的值；而当入口雷诺数较高时，螺旋肋段内的流体旋转动量增强，L1与L2的比值应取大于1.0的值；例如，当雷诺数为5000时，L1/L2=1.0时管内传热和流动性能较优；当雷诺数为25000时，L1/L2取为2.0较佳。

优选的，螺旋肋段1的螺旋肋3的宽度B=(0.05～0.3)×D2，高度H=(0.08~0.2)×D2，这种肋结构尺寸既能保持较高的肋化面积，强化换热，同时又能保证流体在螺旋肋段1内形成较高的旋转动量，并在下游的光滑管段2内保持较强的旋流和扰动效应。

如图3所示，螺旋肋段1的螺旋肋3的螺纹头数为3～6头，螺纹头数的适当增加有利于将壁面附近的流体域分成多束，利于对流动边界层的破坏，并获得更大的肋化面积。其中图3(a)为强化换热管螺旋肋段的螺纹头数为三头时的截面示意图；图3(b)为强化换热管螺旋肋段的螺纹头数为四头时的截面示意图；图3(c)为强化换热管螺旋肋段的螺纹头数为五头时的截面示意图；图3(d)为强化换热管螺旋肋段的螺纹头数为六头时的截面示意图。

如图4所示，所述螺旋肋段1的多个螺旋肋3的高度H可以相同或不同，所述螺旋肋段1的多个螺旋肋3的宽度B可以相同或不同，所述螺旋肋段1的螺旋肋3的横截面形状可为三角形、四边形、梯形或梯形。

优选的，螺旋肋段1的螺旋肋3的升角为15～90度，螺旋升角越大，相应的螺旋肋的导程越大；螺旋升角越小，其螺旋肋的导程越小。测试结果表明：低流速下，具有较小螺旋升角的管结构有利于管内强化换热；高流速下则反之。

实施例1

本实施例总管长取为261mm，取单元管段内的螺旋肋段长度L1为一个导程长（其中导程为87mm），光滑段长度L2为43.5mm（L1/L2=2.0）；螺旋肋段的螺纹头数为四头，管外径为22mm，最大内径为14.1mm，最小内径为12.3mm，螺纹宽度为4.0mm，螺纹高度0.85mm，螺纹升角为54度；管内雷诺数取为5346，外壁热负荷为50kW/m²，在此条件下对换热管进行加热。该实施例的新型换热管的换热性能曲线和阻力特性曲线如图5所示。由图5中曲线可看出：该新型管的换热系数在光滑段稍高，该新型管的整体换热系数与光管换热系数的比值随管长的增加趋于稳定值（约为3.2），略低于螺纹管与光管之间的换热系数的比值（约为3.5）；该新型管的阻力系数与光管的阻力系数比值为1.09，低于螺纹管与光管阻力系数的比值1.22。

实施例2

为更好地描述本发明的新型强化换热管的结构对流动和换热性能的影响，本实施例的管型长度比例有所改变。本实施例选取螺旋肋段的长度L1与光滑管段的长度L2的比值为1.0（在图6中以新型管2代表本实施例2的新型管，以区别于实施例1中的新型管1）。新型管2的总管长取为261mm，每单元管段内的螺旋肋段的长度L1为43.5mm，光滑段的长度L2为43.5mm（L1/L2=1.0）；其它参数与实施例1的数据相同。新型管2的换热性能曲线和阻力特性曲线如图6所示。由图6的曲线图可看出：当螺旋肋段的长度与光滑管段的长度比值为1.0时（即新型管2），新型管内光滑段的换热性能明显增加，最高为光管换热系数的5.46倍，带螺旋肋管段的换热系数略高于螺纹管，新型管2的整体换热性能提高；新型管2的阻力系数与光管的阻力系数比值为1.15，低于螺纹管与光管阻力系数的比值1.22。

Claims

1.一种新型强化换热管，其特征在于：由管内壁为至少一个预设长度L1的螺旋肋段（1）和至少一个预设长度L2的光滑段（2）交替顺序排列构成。

2.根据权利要求1所述的新型强化换热管，其特征在于：所述螺旋肋段（1）的最大内径D2和光滑段（2）的内径D相同。

3.根据权利要求1所述的新型强化换热管，其特征在于：所述螺旋肋段（1）的长度L1和光滑段（2）的长度L2的比为：L1/L2=0.25～4。

4.根据权利要求2或3所述的新型强化换热管，其特征在于：所述螺旋肋段（1）的螺旋肋（3）的螺纹头数为3～6头。

5.根据权利要求2所述的新型强化换热管，其特征在于：所述螺旋肋段（1）的螺旋肋（3）的宽度B=(0.05～0.3)×D2，高度H=(0.08~0.2)×D2。

6.根据权利要求5所述的新型强化换热管，其特征在于：所述螺旋肋段（1）的多个螺旋肋（3）的高度H相同或不同。

7.根据权利要求5所述的新型强化换热管，其特征在于：所述螺旋肋段（1）的多个螺旋肋（3）的宽度B相同或不同。

8.根据权利要求2或3所述的新型强化换热管，其特征在于：所述螺旋肋段（1）的螺旋肋（3）的横截面形状为三角形、四边形或梯形。

9.根据权利要求2或3所述的新型强化换热管，其特征在于：所述螺旋肋段（1）的螺旋肋（3）的升角为15～90度。