CN104613805A - 一种轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束 - Google Patents

Abstract

一种轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束，该内翅片结构由中心肋以及与中心肋整体成型的垂直布置在中心肋上的多组内翅片对组成，每组内翅片对由沿中心肋呈轴对称分布的两个内翅片组成；该翅片管束由上述所述的轴对称梳齿形内翅片结构以及布置在轴对称梳齿形内翅片结构外的外管组成，所述外管的内壁形状与轴对称梳齿形内翅片结构的外部形状相适配，所述外管与轴对称梳齿形内翅片结构采用过盈配合；本发明结构将高温气体分割成若干换热区域，有效地改变了传统换热元件中径向分布的气体温度梯度模式，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。

Description

一种轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束

技术领域

本发明属于传热学的工程应用技术领域，特别是涉及一种轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束。

背景技术

工业锅炉的锅壳式结构和管式空气预热器以及化工过程的废热锅炉广泛使用烟管作为换热管束，亦即锅炉燃烧或化工过程的烟气流经管内进行对流换热，将热量传给管外侧的工质水，从而实现热能转换。

我们知道，当烟气在管内纵向冲刷流动时，烟气和管壁面的换热系数较小，而烟管中心的烟气无法和管内壁金属接触，需要很长的管束才能将烟温降到合适的温度水平，造成设备尺寸庞大。多少年来，研究人员一直试图强化管内换热，为此相继开发了单头螺纹烟管，横纹管，内插麻花片、弹簧等扰流子来强化管内换热，但是，无论是螺纹烟管，还是横纹管以及内插弹簧，只是对贴近壁面的气流产生了扰动，强化效果一般，经测试，螺纹烟管经强化后其对流换热系数仅增加20％～50％；内插麻花片虽然可以对管内所有烟气进行扰动，虽然强化效果比螺纹烟管、横纹管及弹簧强化换热效果好，但是烟气阻力增加很多，动力损耗大，实际上产生了过扰动，工业上很少使用。目前，鉴于螺纹烟管加工简单，一直被工业上用来强化管内换热，也是一种无奈的选择，因此，研究人员一直没有停止过对管内传热强化的不懈研究和努力，本发明就是在这种背景下提出的。

目前，常见的内翅结构大都采用中心对称翅片的方式，对流体进行管内流动分析可以发现，以中心对称的方式进行翅片分布存在以下不足：

1、虽然中心对称的等高翅片能够在一定程度破坏近壁面流体边界层，但是对于中心流体并不能起到作用，中心流场未能得到有效的破坏，较低的湍流度也限制了对流换热系数的提高。

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。

发明内容

为了克服上述技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束，本发明轴对称梳齿形内翅片结构具有很高的翅化比，在仅有气体对流换热的情况下，轴对称梳齿形内翅片有效增强了元件内热气体的对流扰动，可以直接插入烟气主流温度区，将管内烟气分割成多个气流薄层，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，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；内翅片显著增加了换热面积，单位长度的换热量成倍增加，显著增强了气流和管内壁的对流换热系数；烟气纵向冲刷内翅片，烟气流动阻力增加较少。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种轴对称梳齿形内翅片结构，由中心肋1以及与中心肋1整体成型的垂直布置在中心肋1上的多组内翅片对组成，每组内翅片对由沿中心肋1呈轴对称分布的两个内翅片2组成。

所述内翅片2的表面做纵向波纹处理，波纹形式为锯齿形、矩形或正弦函数波形。

所述中心肋1内部沿内翅片2伸展方向的垂直方向有开口。

所述内翅片对的数量为3～8对。

所述内翅片2的厚度为2～4mm。

所述整体成型采用整体铸造、整体热挤压、机加工成形或线切割成形。

一种翅片管束，由上述所述的轴对称梳齿形内翅片结构以及布置在轴对称梳齿形内翅片结构外的外管3组成，所述外管3的内壁形状与轴对称梳齿形内翅片结构的外部形状相适配，所述外管3与轴对称梳齿形内翅片结构采用过盈配合。

所述外管3的截面形状为圆形、椭圆形、腰圆形或矩形。

所述外管3的内壁光滑或内壁开有与轴对称梳齿形内翅片结构的内翅片2形状相适配的纵向凹槽，纵向凹槽的数量与轴对称梳齿形内翅片结构的内翅片2的数量一致，纵向凹槽的槽深为1.0～1.5mm。

所述外管3采用无缝管或由板卷制而成，其材料采用铸铁、铸钢、铸铝、铸铝硅合金或不锈钢；所述轴对称梳齿形内翅片结构的材料也采用铸铁、铸钢、铸铝、铸铝硅合金或不锈钢。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单，加工制作十分方便，可以实现批量生产，节约成本；

2、元件内流体被分割成不同流动空间，完全破坏了无板翅情况下的径向温度分布模式，对称梳齿形内翅片可以直接插入烟气主流温度区，将管内烟气分割成多个气流薄层，有效减薄了气体边界层，扰乱了主流流体，促进边界层流体和主流流体的混合，增强了对流换热系数，强化了对流换热能力。内翅片显著增加了换热面积，单位长度的换热量成倍增加，显著增强了气流和管内壁的对流换热系数；烟气纵向冲刷内翅片，烟气流动阻力增加较少，是一种典型的低阻力内翅片结构。

3、该内翅片结构可以直接用于对现役锅壳式锅炉或废热锅炉进行改造(在所有的烟管中内插翅片，在内插翅片之前，先清理管内烟垢及氧化皮，减小热阻)，显著降低排烟温度，极大地提高现役锅壳式锅炉的热效率，具有显著的节能减排的效果。

4、该内翅片结构也可以和外管组合构成翅片管束用于新建锅炉的生产制造，明显缩小锅炉尺寸，显著减少钢耗量，使锅炉紧凑，提高产品竞争力。

综上所述，本结构设计简单，加工方便，节约成本，并且传热传质效果好，通过对称梳齿板式结构的设置，优化了管内流动和传热过程，并与工业生产联系紧密，有极强的工业应用价值。

通过专利检索，本申请以文件号为CN1144558A作为对比文件，经过专利分析与对比，本专利在结构和功能上与该专利存在明显区别。在结构上，对比文件采用上下半壳相互插接构成成型嵌件，并将肋固定在半壳上；本申请采用轴对称梳齿形内翅片，为一次整体成型，简化了加工环节和工艺。在功能上，本申请不仅可以用于新建锅炉的生产制造，还能直接用于对现役锅壳式锅炉或废热锅炉的改造，符合节能减排时代大环境的需求，这是对比专利所不能实现的。所以本申请是在工程实践运用中得到的启发，具有创造性。

附图说明

图1为本发明轴对称梳齿形内翅片结构的剖面示意图。

图2为本发明翅片管束的立体图。

图3为本发明轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束的内翅片表面加工成正弦函数波形的剖面示意图。

图4为本发明轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束的中心肋沿内翅片伸展方向的垂直方向做开口处理的剖面示意图。

图5a为内壁光滑的外管剖面示意图，图5b为内壁开有与轴对称梳齿形内翅片结构的内翅片形状相适配的纵向凹槽的外管剖面示意图。

图6为本发明轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束的外部轮廓为椭圆时的剖面示意图。

图7为本发明轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束的外部轮廓为腰圆时的剖面示意图。

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，本发明一种轴对称梳齿形内翅片结构，由中心肋1以及与中心肋1整体成型的垂直布置在中心肋1上的多组内翅片对组成，每组内翅片对由沿中心肋1呈轴对称分布的两个内翅片2组成。

作为本发明的优选实施方式，所述内翅片2的表面做纵向波纹处理，波纹形式为锯齿形、矩形或正弦函数波形，使整体在原有的换热面积上进一步增大，并极大地增强了流体扰动，提高了传热传质效果。如图3所示，为内翅片2表面加工成正弦函数波形的剖面示意图。

如图4所示，作为本发明的优选实施方式，所述中心肋1内部沿内翅片2伸展方向的垂直方向有开口。使传热单元的换热面积进一步增加，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，提高换热能力。

作为本发明的优选实施方式，所述内翅片对的数量为3～8对。在应用于工业实践时，能够根据管径大小、流动情况选择内翅片数量。

作为本发明的优选实施方式，所述内翅片2的厚度为2～4mm。在应用于工业实践时，能够根据管径大小、流动情况选择内翅片厚度。

作为本发明的优选实施方式，所述整体成型采用整体铸造、整体热挤压、机加工成形或线切割成形。

本发明轴对称梳齿形内翅片结构可单独使用，也可和外管构成翅片管束使用，因此，本发明还提供一种翅片管束，如图2所示，翅片管束由上述所述的轴对称梳齿形内翅片结构以及布置在轴对称梳齿形内翅片结构外的外管3组成，所述外管3的内壁形状与轴对称梳齿形内翅片结构的外部形状相适配，所述外管3与轴对称梳齿形内翅片结构采用过盈配合。该结构区别于任何径向中心对称分布的内翅式换热元件，从对流动的扰动作用来看，任何径向的内翅式换热元件都无法实现主流区的温度场的均匀化，均会存在高温集中区域，因此会限制传热系数的提高。在单相换热过程中，本结构将高温气体分割成若干换热区域，有效地改变了传统换热元件中径向分布的气体温度梯度模式，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。

作为本发明的优选实施方式，所述外管3的截面形状为圆形、椭圆形、腰圆形或矩形。

如图5a所示，作为本发明的优选实施方式，所述外管3的为内壁光滑的外管。

如图5b所示，作为本发明的优选实施方式，所述外管3的内壁开有与轴对称梳齿形内翅片结构的内翅片2形状相适配的纵向凹槽，纵向凹槽的数量与轴对称梳齿形内翅片结构的内翅片2的数量一致，纵向凹槽的槽深为1.0～1.5mm。使内翅片2能够嵌合入外管3中。

所述外管3采用无缝管或由板卷制而成，其材料可以选用铸铁、铸钢、铸铝、铸铝硅合金或不锈钢；所述轴对称梳齿形内翅片结构的材料也可以选用铸铁、铸钢、铸铝、铸铝硅合金或不锈钢。

如图6所示，所述的轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束的外部轮廓为椭圆，按内翅伸展方向可将其分为：沿长轴方向布置内翅和沿短轴方向内翅两种设计，应针对实际需要做出选择。

如图7所示，所述的轴对称梳齿形内翅片结构及其翅片管束外部轮廓为腰圆，且其外管为光管，沿中心贯穿内翅的翅根与光管配合时，受到与沿内翅伸展方向相反的应力，不会因使用条件的改变产生较大变形，具有较好的工业适应性，并能有效地简化了加工工艺。

Claims (10)

1.一种轴对称梳齿形内翅片结构，其特征在于：由中心肋(1)以及与中心肋(1)整体成型的垂直布置在中心肋(1)上的多组内翅片对组成，每组内翅片对由沿中心肋(1)呈轴对称分布的两个内翅片(2)组成。

2.根据权利要求1所述的轴对称梳齿形内翅片结构，其特征在于：所述内翅片(2)的表面做纵向波纹处理，波纹形式为锯齿形、矩形或正弦函数波形。

3.根据权利要求1所述的轴对称梳齿形内翅片结构，其特征在于：所述中心肋(1)内部沿内翅片(2)伸展方向的垂直方向有开口。

4.根据权利要求1所述的轴对称梳齿形内翅片结构，其特征在于：所述内翅片对的数量为3～8对。

5.根据权利要求1所述的轴对称梳齿形内翅片结构，其特征在于：所述内翅片(2)的厚度为2～4mm。

6.根据权利要求1所述的轴对称梳齿形内翅片结构，其特征在于：所述整体成型采用整体铸造、整体热挤压、机加工成形或线切割成形。

7.一种翅片管束，其特征在于：由权利要求1至6任一项所述的轴对称梳齿形内翅片结构以及布置在轴对称梳齿形内翅片结构外的外管(3)组成，所述外管(3)的内壁形状与轴对称梳齿形内翅片结构的外部形状相适配，所述外管(3)与轴对称梳齿形内翅片结构采用过盈配合。

8.根据权利要求7所述的翅片管束，其特征在于：所述外管(3)的截面形状为圆形、椭圆形、腰圆形或矩形。

9.根据权利要求7所述的翅片管束，其特征在于：所述外管(3)的内壁光滑或内壁开有与轴对称梳齿形内翅片结构的内翅片(2)形状相适配的纵向凹槽，纵向凹槽的数量与轴对称梳齿形内翅片结构的内翅片(2)的数量一致，纵向凹槽的槽深为1.0～1.5mm。

10.根据权利要求7所述的翅片管束，其特征在于：所述外管(3)采用无缝管或由板卷制而成，其材料采用铸铁、铸钢、铸铝、铸铝硅合金或不锈钢；所述轴对称梳齿形内翅片结构的材料也采用铸铁、铸钢、铸铝、铸铝硅合金或不锈钢。