CN106091782A - 一种轴向贯通的h型翅片管及其换热管束 - Google Patents

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Abstract

一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，包括基管部、翅片部和贯通部，基管部包含至少一根基管；翅片部为沿基管轴向布置的连接在基管外壁的若干平行翅片组，其中翅片组包括两片对称布置在基管两侧的翅片，两片翅片按照一定节距规则排列，每片翅片内侧有和基管外壁吻合的凹槽；贯通部包括沿烟气流动方向上在翅片表面局部加工的、相对基管布置的贯通槽，并在烟气流出的一侧设置导流片穿过所有贯通槽，并将基管轴向各翅片组贯穿连接，使H型翅片管轴向横剖面由平面变成三维结构；本发明中的H型翅片管及其换热管束可有效消除积灰起始区，明显减小翅片管背风侧的流动滞止区，极大地减少流动滞止区域的翅片侧面和基管积灰；同时有效增强H型翅片管的传热效果；该发明的贯通槽可以通过冲压成型得到，易于实现自动化生产。

Description

一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束
技术领域
本发明涉及一种H型翅片管，特别涉及一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其适用于动力、石油、化工、制冷、冶金等行业的各种类型的换热及加热设备。
背景技术
随着我国经济的持续快速发展，能源供应紧张问题日益突出，节能、减排、降耗已成为我国经济和社会发展的必然要求。换热器作为动力、石油、化工、制冷、冶金乃至航空/火箭等工业过程的重要组成部分，它的安全高效运行意义重大。在各种换热设备中，通过翅片增加换热面积是常见的强化传热方式。
H型翅片管，也称作H型鳍片或肋片管，也有称蝶片管。它将两片中间有圆弧的钢片对称地与光管焊接在一起形成，其正面形状因像字母“H”而得名。研究和实践表明H型翅片管可以显著增加换热面积，增大烟气流通截面，降低烟速，减少积灰和磨损。然而尽管其具有良好的抗积灰能力和防磨性能，在含灰气流下，由于流体本身的粘性作用与逆压梯度的存在，流动必然发生分离，并在翅片管背风侧形成涡流滞止区，从而使含灰气流中的灰颗粒在背风侧不断累积，造成局部大量积灰，严重影响翅片管传热效率和换热器的安全高效运行。通过对H型翅片管的结构分析，我们发现含灰气流在经过H型翅片管时，在每两对翅片间的局部空间几乎没有气体扰动，该局部空间的气体流动近似于平面流动，灰颗粒难以在不同翅片间流动，进一步加剧了积灰的形成。因此，通过采取必要的结构优化，减小涡流滞止区面积从而减少积灰，是一种行之有效的方法，本专利就是在这样的情况下提出的。
从目前已有的专利情况来看，专利201120443516.5提出了一种椭圆H型翅片管，椭圆管相对于圆管确实一定程度地降低了流动阻力，但是由于大体结构并未有太大的变化，没有破坏涡流滞止区，对于积灰情况的改善比较有限。专利201420286535.5和201420300136.X均给出了通过加装某种纵向涡发生器来实现传热强化，但是相比于本专利而言，上述专利所公开的纵向涡发生器，其在翅片法向高度不足，当翅片间节距较大时的传热与抗积灰性能会有所下降。专利201410290408.7，201420343697.8和201420343761.2所公开的三项专利，均是通过对常规H型翅片管的翅片外侧边缘进行各种变形，实现气流在不连续表面的换热，尽管该结构能够有效提高换热管翅化比，缩小翅片节距，但是在含灰高速气流下，翅片外侧磨损情况会更为严重，降低翅片管寿命。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，通过整体加装导流片，减小流动分离，减小涡流滞止区面积，从而减轻H型翅片管背风侧积灰，改善换热器的运行情况。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，包括基管部、翅片部和贯通部，所述基管部包含至少一根基管1；所述翅片部为沿基管1轴向布置的连接在基管1外壁的若干平行翅片组，其中所述翅片组包括两片对称布置在基管两侧的翅片3，两片翅片按照一定节距规则排列，每片翅片内侧有和基管外壁吻合的凹槽；所述贯通部包括沿烟气流动方向上在翅片表面局部加工的、相对基管1布置的贯通槽2，并在烟气流出的一侧设置导流片4穿过所有烟气流出侧的贯通槽2，并将基管轴向各翅片组贯穿连接，使H型翅片管轴向横剖面由平面变成三维结构。
所述贯通槽2在每个翅片上共两个，分别位于基管烟气流入侧和基管烟气流出侧，两槽关于翅片内侧凹槽相对分布；贯通槽2的形状为矩形，弧形或圆形；对于矩形槽，以烟气流出侧的槽矩形长边作为开槽基准方向，其开槽方向与气体来流方向的攻角为10°～80°；对于弧形槽，以烟气流出侧的槽圆弧所在割线作为开槽基准方向，与气体来流方向成10°～80°。
所述的导流片4的截面形状与贯通槽2相同，同时贯通槽2面积略大于导流片4截面，两者为间隙配合，并通过局部点焊将两者固定形成整体。
所述的翅片部和贯通部均关于基管成对称布置；翅片3的表面形状为矩形、平行四边形、梯形或不规则四边形。
所述的贯通槽2多对布置，并在烟气流出的一侧，根据贯通槽的数量设置相应的导流片4，从而形成双槽H型翅片管及多槽H型翅片管。
所述的贯通槽2为矩形槽时，将翅片3一侧完全开通，从而使导流片4直接从侧面整体插入贯通槽2，而不需要一一贯穿每个翅片，形成通槽H型翅片管。
所述的基管1为圆管、椭圆管和腰圆管中的任意一种；所述翅片3及其表面贯通槽2通过冲压实现一次成型，所述翅片组与基管之1间通过凹槽实现对焊。
所述翅片管为中心对称的H型翅片管结构或非中心对称的H型翅片管结构；当为非中心对称的H型翅片管结构时，若取以基管1轴线和气体来流方向所构成的面为参考面，该参考面将翅片管分为迎风侧和背风侧两部分，在非对称布置翅片时，应满足迎风侧面积大于背风侧面积，且两部分的面积比应在1～2之间；对于非中心对称的H型翅片管结构，所述贯通槽2相对于基管也成非中心对称分布。
所述基管的基管数量为两根或多根，当翅片为对称布置时，相应的换热管束表现形式为对称双H型及多H型换热管束；当翅片为非对称布置时，相应的换热管束表现形式为非对称双H型及多H型换热管束。
所述的翅片组的排列方式分为顺列布置、错列布置以及沿烟气流动方向上的不等距布置。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
本发明通过加装导流片，突破了传统纵向涡发生器只能从属于翅片表面的思维限制，这种导流片位于翅片管背风侧，且向内开槽，而非一般纵向涡发生器的向外布置，这样能够有效消除积灰起始区，明显减少翅片管背风侧的流动滞止区，并极大减少流动滞止区域的翅片侧面和基管积灰；
本发明能够有效增强H型翅片管的传热效果，相对于传统的H型翅片管，其传热系数可以提高20％以上；
本发明对原有的H型翅片进行结构创新，通过导流片实现H型翅片管背风侧涡流滞止区的改善。本发明所述的这种H型翅片组，可以通过冲压成型快速得到，易于实现自动化生产；
本发明结合工业实践，提出双侧开槽，烟气流出侧安装的加工和装配思路，一方面是出于对实际装配的考虑，使翅片在与基管焊接时不需要考虑翅片安装的方向性；另一方面这种烟气流入侧贯通槽能够形成流动及边界层中断，使边界层流动重启，从而使边界层减薄，局部换热系数增加，达到强化传热的目的；
综上所述，本发明结构并具有良好的传热和抗积灰特性，同时加工方便，易于实现批量生产，与工业生产联系紧密，具有极强的工业应用价值。
附图说明
图1为本发明的实施例一中带矩形导流片的H型翅片管的示意图。
图2为本发明的实施例一中带矩形导流片的H型翅片管与常规H型翅片管的气体流向示意图，其中：图2a为本发明的实施例一中带矩形导流片的H型翅片管的气体流向示意图，图2b为常规H型翅片管的气体流向示意图。
图3为本发明的实施例二中相同翅片表面形状下不同贯通槽形状的翅片结构示意图。
图4为本发明的实施例三中不同的翅片表面形状下的带矩形导流片的H型翅片管的表面示意，其中图4a为立体图，图4b为主视图。
图5为本发明的实施例四中双槽H型翅片管的整体结构及表面示意图，其中图5a为立体图，图5b为主视图。
图6为本发明的实施例五中通槽H型翅片管的整体结构及表面示意图，其中图6a为立体图，图6b为主视图。
图7为本发明的实施例六中用于现有H型翅片管整体改造的导流板结构示意图。
图8为本发明的实施例六中整体改造后的H型翅片管的整体结构及表面示意图，其中图8a为立体图，图8b为主视图。
图9为本发明的实施例七中不同基管形式下的带矩形导流片的H型翅片管的整体结构示意图，其中图9a为椭圆管，图9b为腰圆管。
图10为本发明的实施例八中带矩形导流片的非中心对称H型翅片管的整体结构及表面示意图，其中图10a为立体图，图10b为主视图。
图11为本发明的实施例九中带矩形导流片的常规双H及非中心对称双H型翅片管的结构示意图，其中图11a为实施例九中带矩形导流片的对称双H型翅片管，图11b为非中心对称双H型翅片管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更详细的说明：
实施例一
图1为本发明的实施例一中常规矩形导流片H型翅片管的示意图。
该结构包括基管部，翅片部和贯通部，所述基管部包含至少一根基管1；所述翅片部为沿基管轴向布置的连接在基管1外壁的若干平行翅片组，其中所述翅片组包括两片对称布置在基管两侧的翅片3，两片翅片按照一定节距规则排列，每片翅片内侧有和基管外壁吻合的凹槽；贯通部包括沿烟气流动方向上在翅片表面局部加工的、相对基管布置的贯通槽2，并在烟气流出的一侧设置导流片4穿过所有烟气流出侧的贯通槽2，并将基管轴向各翅片组贯穿连接，使H型翅片管轴向横剖面由平面变成三维结构。
该矩形贯通槽在每个翅片上共两个，分别位于基管烟气流入侧和基管烟气流出侧，两槽关于翅片内侧凹槽相对分布。对于矩形槽，以后槽矩形长边作为开槽基准方向，其开槽方向与气体来流方向的攻角为10°～80°；
导流片4通过管束后侧的贯通槽将翅片沿轴向贯通。导流片截面形状与贯通槽相同，同时贯通槽面积略大于导流片截面，两者为间隙配合，并通过局部点焊将两者固定形成整体。需要特别说明的是，基管烟气流入侧贯通槽的设置，一方面是出于对实际装配的考虑，使翅片3在与基管1焊接时不需要考虑翅片安装的方向性；另一方面这种烟气流入侧贯通槽能够形成流动及边界层中断，使边界层流动重启，从而使边界层减薄，局部换热系数增加，达到强化传热的目的。因此，在具体加工翅片时，可以根据实际生产条件，选择性加工前槽。
图2中的图2a和图2b为本发明的实施例一中常规矩形导流片H型翅片管与常规H型翅片管的气体流向示意图。如图2a所示，在含灰气流冲刷下，由于流体本身的粘性作用与逆压梯度的存在，流动必然发生分离，并在翅片管背风侧形成涡流滞止区，而滞止区内气体流速很低，气体无法继续携带灰颗粒运动，因此基本可以将滞止区视为积灰区。因此，含灰气流中的灰颗粒在背风侧不断累积，造成局部大量积灰，严重降低了H型翅片管的传热效果。如图2b所示，在加入轴向贯通的导流片后，导流片将部分烟气导流至基管背风侧，使积灰区面积减少，从而改善积灰情况。
实施例二
图3为本发明的实施例二中相同翅片表面形状下不同贯通槽形状的翅片结构示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图3所示，本发明所涉及的轴向贯通的H型翅片管，其贯通槽2不限定于实施例一中的矩形槽，贯通槽2的形状还可为圆弧形或圆形。对于矩形槽，以烟气流出侧的槽矩形长边作为开槽基准方向，其开槽方向与气体来流方向的攻角为10°～80°；对于弧形槽，以烟气流出侧的槽圆弧所在割线作为开槽基准方向，与气体来流放方向成10°～80°。
实施例三
图4为本发明的实施例三中不同的翅片表面形状下的带矩形导流片的H型翅片管的表面示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图4中的图4a和图4b所示，翅片3的表面形状并不限定于实施例一中的矩形，也可以为平行四边形、梯形或其他不规则四边形。
实施例四
图5为本发明的实施例四中双槽H型翅片管的整体结构及表面示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图5中的图5a和图5b所示，翅片表面的贯通槽2可多对布置，并在烟气流出的一侧，根据贯通槽2的数量设置相应的导流片4，从而形成双槽H型翅片管及多槽H型翅片管。
实施例五
图6为本发明的实施例五中通槽H型翅片管的整体结构及表面示意图；同样地，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图6中的图6a和图6b所示，翅片所述的贯通槽2，在为矩形槽时可将一侧完全开通，从而使导流片4可以直接从侧面插入贯通槽2，而不需要一一贯穿每个翅片，形成通槽H型翅片管。
实施例六
图7为本发明的实施例六中用于现有H型翅片管整体改造的导流板结构示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
为了能在现有H型翅片管的基础上进行直接改造，本发明给出了如图7所示的解决方式，即将导流板4按照现有H型翅片的翅片厚度与相邻翅片间节距，沿其宽度方向开缝。
图8中的图8a和图8b为本发明的实施例六中整体改造后的H型翅片管的整体结构及表面示意图。
实施例七
图9为本发明的实施例七中不同基管形式下的带矩形导流片的H型翅片管的整体结构示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图9中的图9a和图9b所示，基管也不限定于实施例一中所述的圆管，还可以为椭圆管或腰圆管中的任意一种。
实施例八
图10为本发明的实施例八中带矩形导流片的非中心对称H型翅片管的整体结构及表面示意图。在实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图10中的图10a和图10b所示，所述翅片管也可以为非中心对称的H型翅片管结构。若取以基管1轴线和气体来流方向所构成的面为参考面，该参考面将翅片管分为迎风侧和背风侧两部分，在非对称布置翅片3时，应满足迎风侧面积大于背风侧面积，且两部分的面积比应在1～2之间。另外，在具体加工非中心对称的H型翅片时，所述贯通槽相对于基管1也成非中心对称分布，基管烟气流入侧的贯通槽2可以选择性加工。
实施例九
图11为本发明的实施例九中带矩形导流片的常规双H及非中心对称双H型翅片管的结构示意图。在实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图11中的图11a和图11b所示，所述翅片管基管数量并不限定于一根，也可为两根或多根。其中，当翅片为对称布置时，相应的换热管束表现形式为对称双H型及多H型换热管束；当翅片为非对称布置时，相应的换热管束表现形式为非对称双H型及多H型换热管束。

Claims (10)

1.一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：包括基管部、翅片部和贯通部，所述基管部包含至少一根基管(1)；所述翅片部为沿基管(1)轴向布置的连接在基管(1)外壁的若干平行翅片组，其中所述翅片组包括两片对称布置在基管两侧的翅片(3)，两片翅片按照一定节距规则排列，每片翅片内侧有和基管外壁吻合的凹槽；所述贯通部包括沿烟气流动方向上在翅片表面局部加工的、相对基管(1)布置的贯通槽(2)，并在烟气流出的一侧设置导流片(4)穿过所有烟气流出侧的贯通槽(2)，并将基管轴向各翅片组贯穿连接，使H型翅片管轴向横剖面由平面变成三维结构。
2.根据权利要求1所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：所述贯通槽(2)在每个翅片上共两个，分别位于基管烟气流入侧和基管烟气流出侧，两槽关于翅片内侧凹槽相对分布；贯通槽(2)的形状为矩形，弧形或圆形；对于矩形槽，以烟气流出侧的槽矩形长边作为开槽基准方向，其开槽方向与气体来流方向的攻角为10°～80°；对于弧形槽，以烟气流出侧的槽圆弧所在割线作为开槽基准方向，与气体来流方向成10°～80°。
3.根据权利要求1或2所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：所述的导流片(4)的截面形状与贯通槽(2)相同，同时贯通槽(2)面积略大于导流片(4)截面，两者为间隙配合，并通过局部点焊将两者固定形成整体。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：所述的翅片部和贯通部均关于基管成对称布置；翅片(3)的表面形状为矩形、平行四边形、梯形或不规则四边形。
5.根据权利要求1所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：所述的贯通槽(2)多对布置，并在烟气流出的一侧，根据贯通槽的数量设置相应的导流片(4)，从而形成双槽H型翅片管及多槽H型翅片管。
6.根据权利要求1所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：所述的贯通槽(2)为矩形槽时，将翅片(3)一侧完全开通，从而使导流片(4)直接从侧面整体插入贯通槽(2)，而不需要一一贯穿每个翅片，形成通槽H型翅片管。
7.根据权利要求1所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于，所述的基管(1)为圆管、椭圆管和腰圆管中的任意一种；所述翅片(3)及其表面贯通槽(2)通过冲压实现一次成型，所述翅片组与基管之(1)间通过凹槽实现对焊。
8.根据权利要求1所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：所述翅片管为中心对称的H型翅片管结构或非中心对称的H型翅片管结构；当为非中心对称的H型翅片管结构时，若取以基管(1)轴线和气体来流方向所构成的面为参考面，该参考面将翅片管分为迎风侧和背风侧两部分，在非对称布置翅片时，应满足迎风侧面积大于背风侧面积，且两部分的面积比应在1～2之间；对于非中心对称的H型翅片管结构，所述贯通槽(2)相对于基管也成非中心对称分布。
9.根据权利要求1或8所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：所述基管(1)的基管数量为两根或多根，当翅片为对称布置时，相应的换热管束表现形式为对称双H型及多H型换热管束；当翅片为非对称布置时，相应的换热管束表现形式为非对称双H型及多H型换热管束。
10.根据权利要求1或9所述的一种轴向贯通的H型翅片管及其换热管束，其特征在于：所述的翅片组的排列方式分为顺列布置、错列布置以及沿烟气流动方向上的不等距布置。
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