CN106871696A - 换热管的分段式鳍片 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种换热管的分段式鳍片，该分段式鳍片由基管(2)和位于基管外的矩形鳍片组成，在所述矩形鳍片平行于来流方向的两侧设置有打断翅片表面边界层的开缝(4)，将矩形鳍片分割成后鳍片(1)和前鳍片(3)。本发明换热面积大。在矩形鳍片两侧面开缝对鳍片管的扩展表面积影响不大，保留了矩形鳍片管受热面积大的优势。鳍片表面的平均换热系数提高。鳍片表面的开缝能够起到打断鳍片表面边界层的作用，减少了鳍片表面边界层的发展段。提高了相邻两鳍片间的平均湍流强度，从而增大鳍片的平均对流换热系数，提高换热效率。

Description

换热管的分段式鳍片
技术领域
本发明应用于锅炉换热器领域，具体是涉及一种有效改善换热管换热特性的鳍片。
背景技术
目前对于电站锅炉、工业锅炉以及船舶动力装置等排烟余热的回收，主要使用鳍片管换热器。而鳍片管作为换热器的主要组成元件，其换热效率对烟气余热的利用起到很大的影响。通常，鳍片管的组成分为鳍片和基管两个部分。对于基管来说，圆管及椭圆管因其加工工艺简单，成本较低被广泛应用。相比于圆管基管，椭圆管的优势在于，低风阻、高换热效率以及在有限空间内布置数目更多。因此，将椭圆形管作为鳍片管基管得到了广泛的发展。
对于鳍片管另一个重要的组成部分——鳍片，其形状以及布置方式会影响到换热面积和鳍片的对流换热系数。通常在流体流经鳍片表面时会在鳍片表面形成一个层流边界层，该边界层沿流体流向方向逐渐由层流发展为湍流。根据实验测定，在强制对流条件下，鳍片管束的对流换热系数(努塞尔数Nu)与湍流度(即雷诺数Re)呈指数关系，(式中参数C和m由管排数确定)。因此，对流换热系数的大小随流体湍流度增大而增大。综上，鳍片的布置形式导致具有一定间距的鳍片间流场湍流度(雷诺数)的改变，会直接影响到鳍片的对流换热效率。
目前，广泛应用的鳍片形状主要有矩形鳍片、H形鳍片以及螺旋形鳍片。对现有鳍片进行分析，可以发现存在以下共性和问题：
1.对流换热强度
对于传统的矩形和H形鳍片，其布置形式未对边界层产生足够的扰动或打断作用，使得鳍片表面的边界层沿来流方向充分发展，平行于来流方向布置的鳍片之间的高雷诺数区域减小，既减小了鳍片表面的平均对流换热系数，又损失了鳍片的有效换热面积，从而降低了换热效率。
2.鳍片表面换热面积
对于螺旋形鳍片管，其鳍片螺旋形布置形式对流经鳍片的流体产生一定的扰动作用，使得其沿来流方向上鳍片表面附近的雷诺数及湍流强度增大，从而增大其对流换热系数，但是其总换热面积不及矩形翅片。
综上所述，现有的鳍片设计主要面临两个问题：首先，目前的设计没有对两相邻鳍片间区域内流体的湍流度影响进行足够的考虑，从而减小了鳍片的平均对流换热系数。其次，为了获得更高的换热效率，而牺牲了过多的换热面积，使得总换热量减小。故需要研发一种既能保证换热面积，又能改善在两相邻鳍片之间区域内的流体湍流强度，来增大鳍片表面对流换热系数的新型鳍片管结构。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种既保证鳍片管表面的换热面积，同时，减小鳍片表面边界层的层流发展段，提高两鳍片间流场的平均湍流度，从而提高鳍片的对流换热系数的鳍片布置形式。
技术方案：本发明解决上述问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种换热管的分段式鳍片由基管和位于基管外的矩形鳍片组成，在所述矩形鳍片平行于来流方向的两侧设置有打断翅片表面边界层的开缝，将矩形鳍片分割成后鳍片和前鳍片。
其中：
所述开缝从所述的基管处向两侧外端延伸至鳍片边缘处。
所述所述开缝有两条平行设置在矩形鳍片上
所述所述开缝与基管中心轴线垂直。
所述所述开缝大小为1～3mm。
所述所述矩形鳍片有两片，该两片矩形鳍片之间有一定间距，平行布置在基管的外侧。
本发明在鳍片与气体流向平行的换热面上设置间断的矩形翅片，或将现有的矩形形状的鳍片进行开缝处理。这样的鳍片布置形式，最大限度的减少了换热面积的损失；同时当流体流过鳍片表面时，在开缝处会打断鳍片表面形成的边界层，减小鳍片层流发展段。增大两相邻鳍片间流场的平均湍流度。这样，不仅增加了迎流面气流与鳍片的接触时间，而且因为流场的平均湍流度的增大，而增大了鳍片的平均对流换热系数，提高了换热效率。
有益效果：本发明与现有的鳍片管相比有如下优点：
1.换热面积大。在矩形鳍片两侧面开缝对鳍片管的扩展表面积影响不大，保留了矩形鳍片管受热面积大的优势。
2.鳍片表面的平均换热系数提高。鳍片表面的开缝能够起到打断鳍片表面边界层的作用，减少了鳍片表面边界层的发展段。提高了相邻两鳍片间的平均湍流强度，从而增大鳍片的平均对流换热系数，提高换热效率。
附图说明
图1为本发明的鳍片布置形式开缝在前侧的鳍片；图1a是图1的A-A剖视图。
图2为本发明的鳍片布置形式开缝在后侧的鳍片。
图3为本发明的鳍片布置形式双缝的鳍片。
图4为实施实例1中两种鳍片布置形式，图左为传统的H形鳍片，图右为本发明的分段式鳍片(双缝)。
图5为实施实例1中两种鳍片布置形式的鳍片间雷诺数分布图(侧视图)。图上为传统H型鳍片，图下为本发明的分段式鳍片(双缝)
图6为实施实例1中两种鳍片表面湍流强度分布(主视图)。
图7为实施实例2中两种鳍片布置形式，图左为传统的矩形鳍片，图右为本发明的分段式鳍片(单缝)。
图8为实施实例2中两种鳍片布置形式的鳍片间雷诺数分布图(侧视图)。图上为传统矩型鳍片，图下为本发明的分段式鳍片(单缝)
图9为实施实例2中两种鳍片表面湍流强度分布(主视图)。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明：
本发明是一种换热管的分段式鳍片，主要用于锅炉换热器中。
图1～3为本发明3种鳍片布置形式，包括后鳍片1和前鳍片3，基管2为椭圆形基管。开缝4可布置在沿与椭圆基管长轴方向任意位置，开缝大小可为1～3mm，开缝数目为1～2个适宜。应用Fluent商业软件对某结构尺寸传统矩形鳍片、H形鳍片与本发明的分段式鳍片(单开缝及双开缝)外部烟气流动进行数值模拟。
实施实例1:
在本实施例中，比较了传统H型鳍片和本发明分段式鳍片(双缝)在相同来流速度和工作环境下的流场及流动特性。鳍片管基管选用椭圆形基管。外部烟气流速为6m/s，沿x轴正方向流动。两种鳍片布置形式如图4所示，相邻鳍片间距为10mm，对于双缝分段式鳍片，鳍片开缝位置在距基管短轴中心线前后15mm处。
计算所得两相邻鳍片间流场的雷诺数分布示于图5。由图5可知，对于传统的H形鳍片，两相邻鳍片间雷诺数沿来流方向逐渐增大，经过大约沿流动方向1/3鳍片长度时，鳍片管附近雷诺数达到70以上。相邻鳍片间平均雷诺数为34.9(H形)。对于本发明的分段式鳍片(双缝)，从图6中可以观察到：雷诺数大于70的区域明显提前至约沿流向方向1/2个鳍片长度，鳍片管附近平均雷诺数为49.9。相比于H型鳍片平均雷诺数提升43％。而鳍片管对流换热系数大小与雷诺数呈指数关系，因此雷诺数的升高能显著提高对流换热系数。
两种鳍片的表面湍流强度分布结果示于图6。通过统计湍流强度大于0.7的区域面积可以发现，对于传统H型鳍片在鳍片上约有60％的区域湍流强度大于0.7(高湍流强度)，本发明鳍片湍流强度大于0.7的区域约为66％。考虑到鳍片的总换热面积，本发明的鳍片湍流强度大于0.7的换热面积提升约15％，使得换热效率明显提高。
实施实例2
在实施实例2中，比较了矩形鳍片及本发明分段式鳍片(单缝)在相同来流速度和工作环境下的流场及流动特性。模拟时的气体流速与实施实例1中相同，鳍片管基管均采用椭圆形基管。鳍片的布置形式如图7所示，相邻鳍片间距为10mm。对于分段式鳍片(单缝)，其开缝位置在沿气体流向方向距基管短轴中心线靠前15mm处。两种鳍片布置形式，相邻鳍片间雷诺数分布及表面湍流强度分布分别示于图8和图9。
由图8可见，矩形鳍片的两鳍片间雷诺数分布与H型鳍片相似，两相邻鳍片间平均雷诺数为45.3。相比于矩形鳍片，本发明的分段式(单开缝)鳍片两鳍片间平均雷诺数为49.5，平均雷诺数较矩形鳍片提高了9.2％。同时，从图9中可以看出本发明的分段式(单开缝)鳍片湍流强度分布更为均匀。通过统计湍流强度大于0.7的区域，得出其湍流强度大于0.7的换热面积相比于矩形鳍片提升约5％。
因此，与传统鳍片布置形式相比，本发明鳍片布置形式显著提升了鳍片管附近的传热系数，同时增大了鳍片管换热面积，改善了鳍片管的换热特性，使得鳍片管传热效率得到了提高。

Claims (6)

1.一种换热管的分段式鳍片，其特征在于：该分段式鳍片由基管（2）和位于基管外的矩形鳍片组成，在所述矩形鳍片平行于来流方向的两侧设置有打断翅片表面边界层的开缝（4），将矩形鳍片分割成后鳍片（1）和前鳍片（3）。
2.根据权利要求1所述的换热管的分段式鳍片，其特征在于：所述开缝（4）从所述的基管（2）处向两侧外端延伸至鳍片边缘处。
3.根据权利要求2所述的换热管的分段式鳍片，其特征在于：所述所述开缝（4）有两条平行设置在矩形鳍片上。
4.根据权利要求3所述的换热管的分段式鳍片，其特征在于：所述所述开缝（4）与基管（2）中心轴线垂直。
5.根据权利要求4所述的换热管的分段式鳍片，其特征在于：所述所述开缝（4）大小为1~3 mm。
6.根据权利要求1所述的换热管的分段式鳍片，其特征在于：所述所述矩形鳍片有两片，该两片矩形鳍片之间有一定间距，平行布置在基管（2）的外侧。
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