CN108050875B - 一种适用于换热管的片状涡发生器插入结构及换热管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于强化换热相关技术领域，其公开了一种适用于换热管的片状涡发生器插入结构及换热管，所述片状涡发生器插入结构包括中心支撑杆及多个以预定距离间隔设置在所述中心支撑杆上的扰流组件，所述中心支撑杆处于使用状态时，其收容于管体内，且所述中心支撑杆的中心轴与所述管体的中心轴重合；所述扰流组件包括两组薄片插入件，两组所述薄片插入件分别沿相反的两个方向倾斜设置，两个相反的方向分别为正向及方向，且正向倾斜设置的所述薄片插入件与反向设置的所述薄片插入件绕所述中心支撑杆交叉设置；每组薄片插入件包括多个绕所述中心支撑杆均匀排布的薄片插入件。本发明通过正反倾斜设置的薄片插入件提高了换热效果，降低了流动沿程阻力。

Description

一种适用于换热管的片状涡发生器插入结构及换热管
技术领域
本发明属于强化换热相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于换热管的片状涡发生器插入结构及换热管。
背景技术
换热管是石油、化工、能源、动力、冶金等工业换热器设备中的重要换热单元。在能源短缺与危机背景下，工业发展要求节能降耗。采用强化传热技术是解决传统光滑换热管效能低下问题的重要手段。
管内强化传热技术一般有以下两种：一种是基于换热管表面的强化传热技术，如螺纹槽管、波纹管等异型管，它们主要是通过管壁面的不同结构扰动流体，破坏管壁附近流体边界层，实现强化换热的目的。另一种是基于管内流体的强化传热技术，如螺旋纽带、螺旋线圈、螺旋片等管内插入物，它们通过在管内对流体进行扰动或者混合，使流体区域温度更加均匀，减薄热边界层，实现强化换热的目的。后者具有加工制造简单，装卸方便，性能提升显著等优点，尤其适合旧工业体系中老式换热器的升级改造，同时不必额外增加升级费用，节省了投资。但是，插入物在强化换热行性能的同时，显著增加了沿程阻力，使得强化换热综合性能提升受限。相应地，本领域存在着发展一种阻力较小且强化换热综合性能较好的插入结构及换热管。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于换热管的片状涡发生器插入结构及换热管，其基于现有插入物扰动混合流体的特点，研究及设计了一种适用于换热管的片状涡发生器插入结构及换热管。所述片状涡发生器插入结构采用将薄片插入件正向与反向倾斜布置的布置方式，正向倾斜布置的薄片插入件将管体中心的流体引向管壁并补充到反向薄状插入件的背面；同时，反向倾斜布置的薄片插入件将管壁面附近的流体引向管体中心并补充到正向薄片插入件的背面，从而使得管体内的流体实现快速且充分的交换及混合，同时使得流体在管体内形成多个纵向涡，以实现更加理想的换热。此外，正向与反向倾斜布置的薄片插入件相互组合以防止薄片插入件背面出现回流涡，导致流动阻力的增加，由此获得优异的综合换热性能及较高的设备经济性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：
所述片状涡发生器插入结构包括中心支撑杆及多个以预定距离间隔设置在所述中心支撑杆上的扰流组件，所述中心支撑杆处于使用状态时，其收容于管体内，且所述中心支撑杆的中心轴与所述管体的中心轴重合；
所述扰流组件包括两组薄片插入件，两组所述薄片插入件分别沿相反的两个方向倾斜设置，两个相反的方向分别为正向及方向，且正向倾斜设置的所述薄片插入件与反向设置的所述薄片插入件绕所述中心支撑杆交叉设置；每组薄片插入件包括多个绕所述中心支撑杆均匀排布的薄片插入件。
进一步地，所述薄片插入件与所述中心支撑杆之间形成有夹角，所述夹角为锐角。
进一步地，所述夹角为30°或者45°。
进一步地，所述预定距离为p，其中，2D≤p≤5D，D为所述管体的内径。
进一步地，所述薄片插入件包括薄片及连接杆，所述连接杆的一端连接于所述薄片的一端，另一端连接于所述中心支撑杆。
进一步地，所述薄片的中心轴与所述中心支撑杆的中心轴重合。
进一步地，所述薄片为锥形曲面切片、平面切片、扇形片、梯形片、三角形片中的任一种。
进一步地，每组薄片插入件所包含的薄片插入件的数量为两个，且每组薄片插入件的两个所述薄片插入件相对于所述中心支撑杆对称设置。
进一步地，每组薄片插入件所包含的薄片插入件的数量为三个或者四个。
按照本发明的另一个方面，提供了一种换热管，其包括管体及如上所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，所述片状涡发生器插入结构设置于所述管体的内孔中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于换热管的片状涡发生器插入结构及换热管主要具有以下有益效果：
1.两组所述薄片插入件分别沿相反的两个方向倾斜设置，两个相反的方向分别为正向及方向，且正向倾斜设置的所述薄片插入件与反向设置的所述薄片插入件绕所述中心支撑杆交叉设置，正向倾斜布置的薄片插入件将管体中心的流体引向壁面并补充到反向设置的薄片插入件的背面，同时，反向倾斜布置的薄片插入件将管壁面附近的流体引向管体中心并补充到正向布置的薄片插入件的背面，使管体内的流体实现快速且充分的交换及混合，从而显著增强换热性能；
2.多个扰流组件以预定距离间隔倾斜设置在所述中心支撑杆上，且薄片插入件分别沿正反方向设置，使得管体内形成多对纵向涡，如此使得换热管有效增强换热能力的同时又不引起流动阻力过分增大；
3.正向与反向倾斜设置的薄片插入件相互配合，防止了薄片插入件的背面出现回流涡，从而避免了较大地动力损失，由此降低了流动沿程阻力，提高了换热效率；
4.所述片状涡发生器插入结构易于加工，结构简单，灵活性较高，且安装方式灵活简单，实用性较强。
附图说明
图1是本发明提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管的结构示意图；
图2是图1中的换热管沿另一个角度的示意图；
图3中的(a)、(b)分别是图1中的换热管的片状涡发生器插入件沿两个角度的示意图；
图4是本发明第一实施方式提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管的示意图；
图5是本发明第二实施方式提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管的示意图；
图6是本发明第三实施方式提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管的示意图；
图7是本发明第一实施方式、第二实施方式、第三实施方式提供的换热管及光管的努谢尔数随雷诺数的变化曲线图；
图8是本发明第一实施方式、第二实施方式、第三实施方式提供的换热管及光管的阻力系数随雷诺数的变化曲线图；
图9是本发明第一实施方式、第二实施方式及第三实施方式提供的换热管的综合换热性能随雷诺数的变化曲线图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-薄片，2-连接杆，3-中心支撑杆，4-管体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管，所述换热管包括管体4及设置于所述管体4的内孔中的片状涡发生器插入结构。所述片状涡发生器插入结构包括多个薄片插入件及中心支撑杆3。多个所述薄片插入件以预定距离间隔设置在所述中心支撑杆3上，且所述薄片插入件与所述中心支撑杆3之间的夹角为锐角，即所述薄片插入件倾斜设置在所述中心支撑杆3上。本实施方式中，所述预定距离为p，2D≤p≤5D，D为所述管体4的内径；所述夹角优选为45°。所述中心支撑杆3的中心轴与所述管体4的中心轴重合。
多个所述薄片插入件组成一组，每组所述薄片插入件相对于所述中心支撑杆3均匀排布；两组所述薄片插入件组成扰流组件，所述扰流组件的两组所述薄片插入件分别沿两个相反的方向倾斜设置，两个相反的方向分别称为正向及方向，且正向倾斜设置的所述薄片插入件与反向设置的所述薄片插入件绕所述中心支撑杆3交叉设置。
所述薄片插入件包括薄片1及连接杆2，所述连接杆2的一端连接于所述薄片1的一端，另一端连接于所述中心支撑杆3上。所述连接杆2及所述薄片1均倾斜设置。所述薄片1的中心轴与所述连接杆2的中心轴重合。
本实施方式中，所述薄片1可以为锥形曲面切片、平面切片、扇形片、梯形片、三角形片中的任一种；可以理解，在其他实施方式中，所述薄片1的形状及尺寸可以根据实际需要而改变，并不限于本实施方式，同时，所述薄片1与所述中心支撑杆3之间的夹角也可以根据实际需要而改变。所述连接杆2的形状及尺寸可以根据所述管体1进行优化，其可以方杆、圆杆或者其他形状的杆。
请参阅图4，本发明第一实施方式提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管，所述换热管的管体4的管长为500mm，管内径D＝20mm，在进口处设定为达到充分发展的速度入口和温度入口边界条件，所述管体4的壁面设定2000W/m2的定热流条件，出口设定为自由出流，片状涡发生器插入结构的表面为绝热表面，布置间隔距离p＝60mm(p＝3D)，所述薄片1采用锥形片，所述连接杆2采用方杆；其中，锥形薄片的小端直径d＝6mm，大端直径D1＝18mm，厚度δ＝0.5mm，单片锥形片对应的圆心角α＝30°，倾斜角度θ＝30°。
请参阅图5，本发明第二实施方式提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管与本发明第一实施方式提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管基本相同，不同点在于本发明第一实施方式提供的换热管的片状涡发生器插入结构的每组薄片插入件所包含的薄片插入件的数量为两个，本发明第二实施方式提供的换热管的片状涡发生器插入结构的每组薄片插入件所包含的薄片插入件数量为三个。
请参阅图6，本发明第三实施方式提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管与所述本发明第一实施方式提供的具有片状涡发生器插入结构的换热管基本相同，不同点在于本发明第一实施方式提供的换热管的片状涡发生器插入结构的每组薄片插入件所包含的薄片插入件数量为两个，本发明第三实施方式提供的换热管的片状涡发生器插入结构的每组薄片插入件所包含的薄片插入件数量为四个。
请参阅图7、图8及图9，为了更好的了解上述三种换热管的换热性能，采用大型商业CFD软件Fluent对上述三种换热管的综合换热性能进行仿真测试。自图7可知，本发明第一实施方式、本发明第二实施方式及本发明第三实施方式提供的换热管在各种工况下均取得了良好的强化换热效果，努谢尔数Nu提升为光管的2.9到8.6倍，其中，换热管的换热性能随每组薄片插入件包含的薄片插入件数量的增加而增强，本发明第三实施方式提供的换热管的强化换热效果较好。
自图8可知，本发明第一实施方式、本发明第二实施方式及本发明第三实施方式提供的换热管在各种工况下流动阻力增加较小，阻力系数f增大为光管的3.1到11.0倍。其中，换热管的阻力系数随每组薄片插入件包含的薄片插入件数量的增加而增大，本发明第一实施方式提供的换热管的流动阻力较小。
图9反映的是综合换热性能PEC随雷诺数Re的变化，综合换热性能PEC定义如下式：
其中，Nu、Nu0分别为相同雷诺数下强化换热管与光管的努谢尔数，f、f0分别为相同雷诺数下强化换热管与光管的阻力系数。自图9可知，本发明第一实施方式、本发明第二实施方式及本发明第三实施方式提供的换热管在各种工况下的综合换热性能均有良好表现，其中，本发明第三实施方式提供的换热管的综合换热性能较好；本发明第一实施方式、本发明第二实施方式及本发明第三实施方式提供的换热管在各种工况下的综合换热性能PEC在模拟雷诺数下能达到1.98-3.85，说明正反倾斜布置的片状涡发生器插入结构在层流工况下能有效地提高换热管的综合性能。
本发明提供的适用于换热管的片状涡发生器插入结构及换热管，其采用将薄片插入件正向与反向倾斜布置的布置方式，正向倾斜布置的薄片插入件将管体中心的流体引向管壁并补充到反向薄状插入件的背面；同时，反向倾斜布置的薄片插入件将管壁面附近的流体引向管中心并补充到正向薄片插入件的背面，从而使得管体内流体实现快速且充分的交换及混合，同时使得流体在管体内形成多个纵向涡，以实现更加理想的换热。此外，正向与反向倾斜布置的薄片插入件相互组合以防止薄片插入件背面出现回流涡，导致流动阻力的增加，由此获得优异的综合换热性能及较高的设备经济性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：
所述片状涡发生器插入结构包括中心支撑杆及多个以预定距离间隔设置在所述中心支撑杆上的扰流组件，所述中心支撑杆处于使用状态时，其收容于管体内，且所述中心支撑杆的中心轴与所述管体的中心轴重合；
所述扰流组件包括两组薄片插入件，两组所述薄片插入件分别沿相反的两个方向倾斜设置，两个相反的方向分别为正向及反向，且正向倾斜设置的所述薄片插入件与反向设置的所述薄片插入件绕所述中心支撑杆交叉设置；每组薄片插入件包括多个绕所述中心支撑杆均匀排布的薄片插入件。
2.如权利要求1所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：所述薄片插入件与所述中心支撑杆之间形成有夹角，所述夹角为锐角。
3.如权利要求2所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：所述夹角为30°或者45°。
4.如权利要求1所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：所述预定距离为p，其中，2D≤p≤5D，D为所述管体的内径。
5.如权利要求1-4任一项所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：所述薄片插入件包括薄片及连接杆，所述连接杆的一端连接于所述薄片的一端，另一端连接于所述中心支撑杆。
6.如权利要求5所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：多个所述薄片所围绕设置的中心轴与所述中心支撑杆的中心轴重合。
7.如权利要求5所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：所述薄片为锥形曲面切片或者平面切片。
8.如权利要求1-4任一项所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：每组薄片插入件所包含的薄片插入件的数量为两个，且每组薄片插入件的两个所述薄片插入件相对于所述中心支撑杆对称设置。
9.如权利要求1-4任一项所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，其特征在于：每组薄片插入件所包含的薄片插入件的数量为三个或者四个。
10.一种换热管，其包括管体，其特征在于：所述换热管还包括如权利要求1-9任一项所述的适用于换热管的片状涡发生器插入结构，所述片状涡发生器插入结构设置于所述管体的内孔中。
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