CN105300156B - 一种内置扭带的复合强化传热管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热器强化传热技术领域，尤其涉及一种强化传热管。一种内置扭带的复合强化传热管，包括管体，以及设置在管体内部的扭带；所述扭带是金属条的一端固定，另一自由端绕其中心线旋转一定的角度跟长度；管体内部的扭带沿管体轴向以180°或360°为旋转周期布局，每个周期内形成一个扭带单元，同根扭带上相邻两个扭带单元之间的交叉角度为30°~90°。该一种内置扭带的复合强化传热管的管体内部扭带在管中心区域与管壁区域形成大的纵向涡，纵向涡具有低阻高效的特点，从而可实施管内跨距的高强度流体置换，从而达到流场均化，提高近壁处温度梯度，增加管壁传热速率的效果。

Description

一种内置扭带的复合强化传热管

技术领域

本发明涉及换热器强化传热技术领域，尤其涉及一种内置扭带的复合强化传热管。

背景技术

自20世纪70年代石油危机以来，传热强化技术普遍应用于各行各业用于节能减排，如动力、冶金、石油、化工等传统主体工业领域以及航空、电子、核能等高新技术工业领域。由于工业生产和科学技术发展的需要，传热强化技术在近几十年受到广泛的重视和长足的发展。传热强化技术按其是否需要外功，分为主动强化与被动强化两种类型，其中被动强化技术由于不需要外功，操作方式简单，可靠性强而更为广泛应用，在众多被动强化技术中，管内插入扭带是一种实用的强化传热技术，由于结构简单、性能稳定、易于装拆和维修等优点，可用于现有换热器的技术改造及余热回收强化，也可以用于太阳能热水器、反应器、核冷却器、新能源等众多领域，有广泛的应用前景。但是，现有光滑管内插入扭带大多都是采用单一长扭带，扭带的结构单一，对于层流工况是极为有效的，但是对于湍流工况（Re>10000），单位流阻功耗下，传热速率提升幅度有限，传热综合性能常常低于1，特别是大的雷诺数下，传热综合性能更低。

随着强化传热技术的发展，近些年来，国外强化传热的著名学者Arthur E.Bergles提出了第四代强化传热技术，即两种及两种以上强化传热技术的复合，即复合强化传热技术。相对于单一的强化传热技术，如粗糙肋面强化管（包括横纹管、缩放管、螺旋槽管、波纹管等）或单一扭带，复合强化传热技术能够发挥两种技术的优势，叠加传热速率，通过合理设计，能够在合理压降范围内获得比单一强化元件更好的传热综合性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种内置扭带的复合强化传热管，该一种内置扭带的复合强化传热管的管体内部扭带在管中心区域与管壁区域形成大的纵向涡，纵向涡具有低阻高效的特点，从而可实施管内跨距的高强度流体置换，从而达到流场均化，提高近壁处温度梯度，增加管壁传热速率的效果。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种内置扭带的复合强化传热管，包括管体，以及设置在管体内部的扭带；所述扭带是金属条的一端固定，另一自由端绕其中心线旋转一定的角度跟长度；管体内部的扭带沿管体轴向以180°或360°为旋转周期布局，每个周期内形成一个扭带单元，同根扭带上相邻两个扭带单元之间的交叉角度为30°~90°。

作为优选，扭带的扭率y=1.5~1.0，扭率y的定义为扭带旋转180°的半节距P与扭带宽度W之比值。

作为优选，所述扭带上设置有开孔或扰流物；所述扰流物可以为翼片、锯齿、圆柱状扰流物、圆球状扰流物或钉状扰流物。

作为优选，所述管体的外径在20mm以下时，管体内部设有单根扭带。

作为优选，所述管体的外径在20~50mm之间时，管体内部设有双重扭带；双重扭带反向相旋，即一根扭带的旋转方向为顺时针旋转，另一根扭带的旋转方向为逆时针旋转。

作为优选，所述管体的外径在20~50mm之间时，管体内部设有三重扭带；三重扭带中至少两根扭带反向相旋，即一根扭带的旋转方向为顺时针旋转，一根扭带的旋转方向为逆时针旋转。

作为优选，所述管体的外径在50mm以上时，管体内部设有四重扭带；四重扭带呈矩阵状排列，相邻两根扭带反向相旋。

作为优选，所述管体的外径在50mm以上时，管体内部设有五重扭带；所述五重扭带包括中心扭带，以及以中心扭带为中心矩阵设置的周边扭带；所述中心扭带为顺时针旋转，相邻的两根周边扭带反向相旋。

本发明采用上述技术方案，该一种内置扭带的复合强化传热管的管体内部扭带呈周期布局，两个扭带单元之间的交叉角度为30°~90°，扭带在管中心区域与管壁区域形成大的纵向涡，扭带沿流动方向可以诱导产生纵向涡；该结构下，充分发挥了纵向涡强化传热的优势，相对于传统的粗糙管诱导的横向涡，纵向涡具有低阻高效的特点，从而可实施管内跨距的高强度流体置换，从而达到流场均化，提高近壁处温度梯度，增加管壁传热速率的效果。

附图说明

图1为本发明中的单条扭带侧视图。

图2为本发明扭带的结构参数示意图。

图3为本发明中复合强化传热管的侧视图。

图4为本发明中复合强化传热管的立体图。

图5为本发明实施例1的立体附带局部剖视图。

图6为本发明实施例1的侧视图。

图7为本发明实施例1的轴视图。

图8为本发明实施例1单扭带的侧视图。

图9为本发明实施例2的立体附带局部剖视图。

图10为本发明实施例2的侧视图

图11为本发明实施例2的轴视图。

图12为本发明实施例2中双扭带的侧视图。

图13为本发明实施例3的立体附带局部剖视图。

图14为本发明实施例3的侧视图。

图15为本发明实施例3的轴视图。

图16为本发明实施例3中双扭带的侧视图。

图17为本发明实施例4中交叉双扭带的侧视图。

图18为本发明实施例4中交叉双扭带一个周期的轴测图。

图19为本发明实施例5交叉双扭带一个周期的轴测图。

图20为本发明实施例6交叉双扭带一个周期的轴测图。

图21为本发明实施例7交叉双扭带一个周期的轴测图。

图22为本发明实施例8交叉双扭带一个周期的轴测图。

图23为本发明实施例9的立体附带局部剖视图。

图24为本发明实施例9的侧视图。

图25为本发明实施例9的轴视图。

图26为实施例9中三扭带的侧视图一。

图27为实施例9中三扭带的侧视图二。

图28为本发明实施例10的立体附带局部剖视图。

图29为本发明实施例10的侧视图。

图30为本发明实施例10的轴视图。

图31为本发明实施例10四扭带的侧视图一。

图32为本发明实施例10四扭带的侧视图二。

图33为本发明实施例11的立体附带局部剖视图。

图34为本发明实施例11的轴视图。

图35为本发明实施例11五扭带的侧视图一。

图36为本发明实施例11五扭带的侧视图二。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施方案作进一步详细的说明。

如图1~4所示一种内置扭带的复合强化传热管，包括管体，以及设置在管体内部的扭带；所述扭带是金属条的一端固定，另一自由端绕其中心线旋转一定的角度跟长度；管体内部的扭带沿管体轴向以180°或360°为旋转周期布局，每个周期内形成一个扭带单元，同根扭带上相邻两个扭带单元之间的交叉角度为30°~90°。所述扭带的扭率y=1.5~1.0，扭率y的定义为扭带旋转180°的半节距P与扭带宽度W之比值。扭带上设置有开孔或扰流物；扰流物可以为翼片、锯齿、圆柱状扰流物、圆球状扰流物或钉状扰流物。所述管体内部一般设置有1~5根扭带，具体与管体外径的尺寸相关，如当管体的外径在20mm以下时，管体内部设有单根扭带；当所述管体的外径在20~50mm之间时，管体内部设有双重扭带；双重扭带反向相旋，即一根扭带的旋转方向为顺时针旋转，另一根扭带的旋转方向为逆时针旋转。当所述管体的外径在20~50mm之间时，管体内部设有三重扭带；三重扭带中至少两根扭带反向相旋，即一根扭带的旋转方向为顺时针旋转，一根扭带的旋转方向为逆时针旋转。当所述管体的外径在50mm以上时，管体内部设有四重扭带；四重扭带呈矩阵状排列，相邻两根扭带反向相旋。当所述管体的外径在50mm以上时，管体内部设有五重扭带；所述五重扭带包括中心扭带，以及以中心扭带为中心矩阵设置的周边扭带；所述中心扭带为顺时针旋转，相邻的两根周边扭带反向相旋。所述管体为正（余）弦纹管，其正（余）弦纹肋高优选为0.5~2mm，肋纹振幅优选为8~20 mm，圆周方向上的周期个数优选为2~8个，流向上的节距优选为10~50mm。

上述技术方案充分利用了纵向涡的低阻高效特性，本发明设计出一种管内多纵向涡叠加的复合强化传热技术，结合了管体正（余）弦肋纹和扭带的特殊结构，两者都可以诱导产生沿流向的纵向涡，正（余）弦肋纹在靠近管壁的区域通过肋纹能够诱导多个相对小一点的纵向涡，圆周方向上的每一个周期正（余）弦肋纹都可以诱导产生纵向涡；扭带在管中心区域与管壁区域形成大的纵向涡；通过大小纵向涡的协同接力，不但对于较小管径，对于较大管径，也可以实施管内跨距的高强度流体置换，从而达到流场均化，提高近壁处温度梯度，从而使单位功耗下的传热速率得到提高，即传热综合性能得到提高。另外，本发明的传热综合性能是可控的，结构参数可根据具体操作工况及流动介质进行灵活调整。结合后述附图，本发明所采用管体和扭带的结构参数包括，如附图2所示，P代表扭带旋转180°时半节距的长度，W代表扭带的宽度；如附图6所示，L代表正（余）弦纹管的肋纹节距，A代表正（余）弦纹管的肋纹振幅；如附图7所示，d代表正（余）弦纹管的外径，e代表正（余）弦纹管的肋高，t代表正（余）弦纹管的壁厚，B代表扭带的厚度；另外n代表正（余）弦花纹管的周向个数；还有如附图8所示，C代表扭带旋转360°时节距的长度；如附图17~18所示，ɑ代表相邻两个节距扭带之间交叉的角度，其它图的结构参数变量代表的意思如上所述。

实践中通过组合和筛选，能够得出最佳的结构参数组合方案。下面结合上述实施方案的结构，列举多组复合强化传热管的结构参数组合方案，用于对本发明进一步进行描述，其中每个实施方案均需结合上述结构，并且本发明的实施方式不限于此，凡是对本发明实质做简单的修改或改变，都属于本发明技术方案的范围。另外，为了评价各个实施例的性能，定义传热综合性能为：，其中，PEC代表传热综合性能即性能评价标准（performance evaluation criterion，PEC），Nu ₀、Nu分别代表光管和强化管的无量纲传热速率即努赛尔数，f ₀、f分别代表光管和强化管的无量纲压降即摩擦因子，同功耗下，若PEC大于1，则说明传热综合性能相对光管得到提高，反之则没有提高。

实施例1：

如附图5~8所示，所述一种内置扭带的复合强化传热管的管体外径在20mm以下，管体为正（余）弦纹管，正（余）弦纹管的肋纹节距L=20mm，肋纹振幅A=12mm，周向肋纹个数n=4，外径d=19mm，壁厚t=2mm，肋高e=1.1mm，内部设置有单扭带，扭带扭率y=2.67，半节距P=32mm，节距C=64mm，扭带厚度B=1mm，扭带宽度W=12mm。

实施例2：

如附图9~12所示，所述一种内置扭带的复合强化传热管的管体外径在20~50mm之间，管体为正（余）弦纹管，正（余）弦纹管的肋纹节距L=30mm，肋纹振幅A=16mm，周向肋纹个数n=8，外径d=32mm，壁厚t=3mm，肋高e=0.8mm；管体内部设置有双重扭带，双重扭带的旋向相反，即一根扭带绕中心轴顺时针旋转，另外一根扭带绕中心轴逆时针旋转，有利于提高涡流强度。所述扭带扭率y=2.87，半节距P=33mm，节距C=66mm，扭带厚度B=1mm，扭带宽度W=11.5mm。

实施例3：

如附图13~16所示，所述一种内置扭带的复合强化传热管的管体外径在20~50mm之间，管体为正（余）弦纹管，正（余）弦纹管的肋纹节距L=20mm，肋纹振幅A=12mm，周向肋纹个数n=6，外径d=32mm，壁厚t=3mm，肋高e=1.1mm；管体内部设置有双重扭带，双重扭带的旋向相反，有利于提高涡流强度；扭带扭率y=2.09，半节距P=24mm，节距C=48mm，扭带厚度B=1mm，扭带宽度W=11.5mm。湍流时，相对光管传热速率最大可以提高2倍以上，同功耗下，传热综合性能达到1.1以上。

实施例4：

如附图17~18所示，本实施方案与实施例3不同之处在于同根扭带上的扭带单元之间的布局是交叉的，交叉夹角ɑ为90°，其它结构尺寸同实施例3；相对实施例3传热综合性能最大可提高8%以上。

实施例5：

如附图19所示，本实施方案与实施例4不同之处在于同根扭带上的扭带单元之间的交叉夹角不同，交叉夹角ɑ为75°，其它结构尺寸同实施例4。

实施例6：

如附图20所示，本实施方案与实施例4不同之处在于同根扭带上的扭带单元之间的交叉夹角不同，交叉夹角ɑ为60°，其它结构尺寸同实施例4。

实施例7：

如附图21所示，本实施方案与实施例4不同之处在于同根扭带上的扭带单元之间的交叉夹角不同，交叉夹角ɑ为45°，其它结构尺寸同实施例4。

实施例8：

如附图22所示，本实施方案与实施例4不同之处在于同根扭带上的扭带单元之间的交叉夹角不同，交叉夹角ɑ为30°，其它结构尺寸同实施例4。

实施例9：

如附图23~27所示，所述一种内置扭带的复合强化传热管的管体外径在20~50mm之间，管体为正（余）弦纹管，正（余）弦纹管的肋纹节距L=30mm，肋纹振幅A=20mm，周向肋纹个数n=6，外径d=45mm，壁厚t=2.5mm，肋高e=0.8mm；管体内部设置有三重扭带，三重扭带中其中两根扭带的旋向相反，两根扭带绕中心轴顺时针旋转，另外一根扭带绕中心轴逆时针旋转；扭带扭率y=2.06，半节距P=36mm，节距C=72mm，扭带厚度B=1mm，扭带宽度W=17.5mm。

实施例10：

如附图28~32所示，所述一种内置扭带的复合强化传热管的管体外径在50mm以上，管体为正（余）弦纹管，正（余）弦纹管的肋纹节距L=25mm，肋纹振幅A=12mm，周向肋纹个数n=6，外径d=57mm，壁厚t=3.5mm，肋高e=1.5mm；管体内部设置有四重扭带，四重扭带呈矩阵状排列，四重扭带中其中每相邻两根扭带的旋向相反；扭带扭率y=2.5，半节距P=47.5mm，节距C=95mm，扭带厚度B=1mm，扭带宽度W=19mm。湍流时，管内传热速率相对光管提高幅度可达2.5倍，传热综合性能能够达到1.2以上。

实施例11：

如附图33~36所示，所述一种内置扭带的复合强化传热管的管体外径在50mm以上，管体为正（余）弦纹管，正（余）弦纹管的结构参数同实施例10，管体内部设置有五重扭带；所述五重扭带包括中心扭带，以及以中心扭带为中心矩阵设置的周边扭带；中心扭带为顺时针旋转，除中心扭带以外的周边扭带每相邻两个旋向相反；扭带半节距、节距及厚度同实施例10，扭带宽度W=15.5mm。

Claims (1)

1.一种内置扭带的复合强化传热管，包括管体，以及设置在管体内部的扭带；其特征在于：所述管体为正弦纹管或余弦纹管，其正弦纹或余弦纹肋高为0.5~2mm，肋纹振幅为8~20mm，圆周方向上的周期个数为2~8个，流向上的节距为10~50mm；所述扭带是金属条的一端固定，另一自由端绕其中心线旋转一定的角度跟长度；管体内部的扭带沿管体轴向以180°或360°为旋转周期布局，每个周期内形成一个扭带单元，同根扭带上相邻两个扭带单元之间的交叉角度为30°~90°；扭带的扭率y=1.5~1.0，扭率y的定义为扭带旋转180°的半节距P与扭带宽度W之比值；所述扭带上设置有开孔或扰流物；所述扰流物为翼片、锯齿、圆柱状扰流物、圆球状扰流物或钉状扰流物。