CN106895733B - 一种新型同轴交叉纽带及应用该纽带的强化换热管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型同轴交叉纽带及应用该纽带的强化换热管，由新型同轴交叉多纽带、外管、固定装置、连接装置组成。其特征在于：所述同轴交叉多纽带为2～4个同宽度、同厚度、同扭率的纽带组成，纽带宽度略小于外管直径，厚度为外管直径的0.0～0.1倍，扭率范围为1.0～6.0，各纽带间的夹角相等。纽带边缘可以是光滑的，也可以是锯齿状，或者在纽带表面增加涡发生器。其放置方式可以是单根放置，长度稍短于外管；也可以是间断多段放置，相邻两段的间距为1.0～4.0倍的节距，然后用连接装置连接，或者后一段与前一段之间交错一定角度，再以连接装置连接。本发明强化换热效果好、安装方便、综合换热性能高，并且具有很强的实用性。

Description

一种新型同轴交叉纽带及应用该纽带的强化换热管
技术领域
本发明涉及一种新型同轴交叉纽带及应用该纽带的强化换热管，属于强化换热技术领域。
背景技术
换热设备是热量传递的基础设备，广泛应用于动力，核能等行业，换热管是换热设备中重要组成部分。提高换热管的传热效率能有效提高换热设备的效率，减小换热设备的体积，增大其经济性，并节约能源，具有重要意义。运用强化换热技术提高换热管效率一直是一项重要的课题。
管内插入扰流元件是一种应用广泛、方便快捷的管内强化换热技术，具有可以进行更换、方便拆装、兼顾除垢等优点。纽带是产生管内二次流结构最简单的装置，具有独特的优势和广阔的应用前景，一直是人们关注的重点。在传统纽带的基础上，人们为了增强强化传热效果，探索出各种异型纽带，如锯齿纽带等。异型纽带虽然增强了强化换热效果，但是管内流体流动阻力相应增大。而且，异型纽带多是用于强化低粘性流体，对高粘性流体的强化效果还有待进一步提高，综合性能有待提升。
公开号为CN 104792219A的专利文件中，公开的“一种三边螺旋纽带”的主要特征在于采用焊接的方式将三个相同纽带的长边焊接一起，并互成120°的夹角，用于传热管强化管内流体传热及防垢。2014年6月出版的《Experimental Thermal and Fluid Science》第57卷中报道的《Laminar flow and heat transfer through a circular tube havingintegral transverse corrugations and fitted with centre-cleared twisted-tape》等文献中，对强化换热元件都有相关论述。这些文献及发明专利中提出的各种强化换热元件，虽然可以使管内流体的换热得到显著的强化效果，但是管内流体的流动阻力也大大增加，综合性能较低；而且，它们或是传统的纽带，或是在传统纽带上加工焊接而成，焊接时引入了热阻，降低了强化效果。所以如果能开发出新的强化换热管，即采用新型的管内插入物和先进的加工方式，将会有效强化换热系数，提高换热管的综合强化性能，亦能更好地达到节能减排的目标。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种新型同轴交叉纽带及应用该纽带的强化换热管，能高效强化换热管内流体换热并防止结垢。
本发明的目的是这样实现的：是由2-4个同宽度、同厚度、同扭率的纽带以每个纽带中间位置的对称轴为扭转轴、成等角度交叉连接而成，扭率的范围是1.0-6.0。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.在外管内设置一个所述的新型同轴交叉纽带，所述外管的两端设置有起固定新型同轴交叉纽带作用的弹圈。
2.在外管内设置至少两个所述的新型同轴交叉纽带，相邻两个新型同轴交叉纽带之间通过连接装置连接，连接装置是弹簧或圆柱棒，所述外管的两端设置有起固定对应的新型同轴交叉纽带作用的弹圈。
3.相邻两个新型同轴交叉纽带之间的距离是1.0～4.0倍的节距，每个纽带的厚度不大于0.1倍的外管直径。
4.所述新型同轴交叉纽带是边缘带有锯齿或者表面带有涡发生器的异形纽带。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的同轴交叉多纽带是运用3D打印技术，得到的复杂的强化换热元件，具有易安装、安装方式多样、强化传热效果好、防结垢等优点。新型同轴交叉多纽带的强化换热管具有综合强化性能好、实用性强的特点。
附图说明
图1是新型同轴交叉三纽带的三维效果图。
图2是新型同轴交叉三纽带的强化换热管三维效果图。图中：1—固定装置，2—新型同轴交叉纽带，3—外管，4—连接装置。
图3是内插新型同轴交叉二纽带的强化换热管内流体的阻力系数f随雷诺数Re的变化图。
图4是内插新型同轴交叉二纽带的强化换热管内流体的努塞尔数Nu随雷诺数Re的变化图。
图5是内插新型同轴交叉二纽带的强化换热管内流体的综合性能评价指标PEC随雷诺数Re的变化图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例一：结合图1，本发明的所述同轴交叉多纽带采用新型3D打印技术加工而成，是由同宽度、同厚度、同扭率的多个纽带共用同一扭转轴，成等角度交叉得到，其厚度为0.0～0.1倍的外管直径，其扭率范围为1.0～6.0，纽带个数范围为2～4，所述同轴交叉纽带的各个纽带间相交的夹角相等。可根据不同的流体、流量等具体工况确定纽带个数、纽带厚度及扭率的大小。图1所示为3个纽带构成的新型同轴交叉三纽带，纽带之间的夹角相等且都为60°。
新型同轴交叉多纽带的厚度为0.0～0.1倍的外管直径。如外管径为13mm时，新型同轴交叉多纽带的厚度为0mm～1.3mm，实际情况中厚度大于0，所以厚度为0.1mm～1.3mm，其具体值视实际工况和加工情况而定。
新型同轴交叉多纽带由纽带螺旋扭曲而成，其扭率y与节距H之间的关系为：y＝H/D，D为外管直径。改变H可以得到不同扭率下的新型同轴交叉多纽带，其扭率范围为1.0～6.0，选取的大小视实际情况而定。但是，值得指出的是：扭率越小，强化换热效果越好，但是流体的流动阻力增加越大。
实施例二：结合图2，本发明的新型强化换热管由四部分组成：外管3；同轴交叉多纽带2；固定装置1；连接装置4。所述外管的直径略大于同轴交叉多纽带的宽度，这样既方便安装，又可使新型同轴交叉多纽带达到最大的强化传热效果。所述同轴交叉多纽带内插外管中，由固定装置进行固定。所述固定装置为卡在外管两端口处的弹圈，依靠两端的弹圈对纽带起到固定作用。所述同轴交叉多纽带的长度可与外管同长或略短于外管，并直接由两端的固定装置固定。
本发明在外管内插入新型同轴交叉多纽带，而所述的强化换热管内的同轴交叉多纽带的数量可以是一个，其长度与外管等长或者稍短于外管；也可以是的好几段纽带，间断的同轴交叉纽带又有两种放置方式，多段同轴交叉纽带在沿流体流动的方向上，一种是相邻同轴交叉纽带间距1.0～4.0倍的节距，直接以连接装置(如弹簧、圆柱棒等)来连接；另一种是相邻的同轴交叉纽带间，后一段同轴交叉纽带与前一段之间有一定的交错角度，再用连接装置(如弹簧、圆柱棒等)来连接。
本发明的所述同轴交叉纽带可以是由常规纽带组合而成，也可以是由边缘带有锯齿或者表面带有涡发生器的异形纽带(把新型同轴交叉多纽带的边缘加工成锯齿状，或者在表面增加涡发生器的结构)组合成的异型同轴交叉纽带，这样可以增强传热效果。
所述的同轴交叉多纽带的材质可依据具体工况而定，对于有重量限制的条件，可选用密度较轻的材料(如塑料等)加工而成；对于具有腐蚀的条件，可选用相应的抗腐蚀材料(如不锈钢等)加工而成。
下面结合具体数据对本发明进行描述：换热管全长L＝1000mm，管径D＝13mm，新型同轴交叉多纽带选择的是由两条纽带组成的新型同轴交叉二纽带，全长为1000mm，边长为12mm，厚度为1mm，节距是52mm，扭率是4。换热管内的流动工质是68#润滑油。在层流的工况下，采用数值模拟商业软件STAR-CCM+10.06对新型强化换热管内的流体传热及流阻进行了模拟与计算，并与空管和内插普通纽带的换热管进行了对比与分析，对比结果如附图3、4、5所示。
图3所示为f随Re的变化规律。相同条件下，内插普通纽带的换热管和新型换热管内流体的阻力系数均远高于空管，同时，新型换热管内流体的阻力系数略高于内插普通纽带的换热管。依据计算结果，可以知道，新型换热管内流体的阻力系数分别比空管和内插普通纽带的阻力系数高出816％～1281％和115％～132％。
图4所示为Nu随Re的变化规律。相同条件下，内插普通纽带的换热管和新型换热管内流体的传热系数均远高于空管，同时，新型换热管内流体的传热系数高于内插普通纽带的换热管，传热性能最优。依据计算结果，可以知道，新型换热管内流体的传热系数比空管高出167％～332％，比内插普通纽带传热管的传热系数高出44％～58％。
图5所示为综合性能评价指标PEC随Re的变化规律。由图中可以看出，相比于内插普通纽带的传热管，新型换热管的PEC值更高，综合性能更好。新型换热管的PEC值可达1.83，是内插普通纽带的换热管的PEC值的1.11～1.20倍。
综上，本发明强化换热效果好、安装方便、综合换热性能高，并且具有很强的实用性。

Claims (6)

1.一种应用同轴交叉纽带的强化换热管，其特征在于：同轴交叉纽带是由2-4个同宽度、同厚度、同扭率的纽带以每个纽带中间位置的对称轴为扭转轴、成等角度交叉连接而成，同轴交叉多纽带形成4-8个螺旋流体通道，扭率的范围是1.0-6.0，且所述同轴交叉纽带通过3D打印技术直接加工成型；
同轴交叉纽带插入外管内，在外管内设置至少两个所述的同轴交叉纽带，相邻两个同轴交叉纽带之间通过连接装置连接，相邻的同轴交叉纽带间交错一定的角度，再用连接装置来连接；
所述同轴交叉纽带插入外管中，由两端的固定装置固定。
2.根据权利要求1所述的一种应用同轴交叉纽带的强化换热管，其特征在于：所述固定装置是弹圈。
3.根据权利要求2所述的一种应用同轴交叉纽带的强化换热管，其特征在于：所述连接装置是弹簧或圆柱棒。
4.根据权利要求2或3所述的一种应用同轴交叉纽带的强化换热管，其特征在于：相邻两个同轴交叉纽带之间的距离是1.0～4.0倍的节距，每个纽带的厚度不大于0.1倍的外管直径。
5.根据权利要求2或3所述的一种应用同轴交叉纽带的强化换热管，其特征在于：所述同轴交叉纽带是边缘带有锯齿或者表面带有涡发生器的异形纽带。
6.根据权利要求4所述的一种应用同轴交叉纽带的强化换热管，其特征在于：所述同轴交叉纽带是边缘带有锯齿或者表面带有涡发生器的异形纽带。
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