CN108151571A - 一种新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管。该结构由两部分组成，外管和螺旋百叶窗式矩形内翅片。所述螺旋百叶窗式矩形内翅片作为一个整体同轴贯穿于外管之中，将外管流道划分成若干个独立的流动通道；所述内翅片凸台的上表面与外管采用面接触，通过降低内翅片的温度或升高外管的温度，利用热胀冷缩的原理，使内翅片和外管紧密相贴；所述的螺旋百叶窗式矩形内翅片两侧直壁上开窗，其主要结构特征参数包括：间距S、长度L、宽度W、高度H、角度α，其中15°＜α＜85°；所述的螺旋百叶窗式矩形内翅片每一个底面上都开有多个孔或多条缝。

Description

一种新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管

技术领域

本发明涉及应用于石油、化工、动力、核能、冶金、制冷、航空航天、环保节能等工业领域的热交换设备中使用的强化传热换热管，属于热交换技术领域。

背景技术

在能源短缺浪费和环境污染破坏两大挑战面前，为实现科技进步与社会可持续发展，除了开发新能源外，还需要提高能源的清洁利用效率，而对传热过程的强化和优化就是高效利用能源的重要途径和方法。

强化传热技术是节能的一种有效方式。广泛应用于各种工业换热器，例如石油化工、空气调节和锅炉等行业。无源强化传热技术由于结构简单，不需要额外动力，在节能和经济节约方面有着重要作用。

国内外有关无源强化传热技术研究很多，强化管内壁传热的方式包括管内插入绕流件、管内壁处理面和管内扩展面等，而翅片管由于体积小、传热面积大、效率高的特点被逐步推广应用。内翅片管通过在管内加装翅片的方式拓展传热面，从而增强传热能力，故与光管相比，完成同一热负荷可用较少管数，使设备结构紧凑并使金属消耗量减少。另外，采用翅片管使介质与壁面的平均温差降低，使用寿命延长。

综合分析对现有内翅片管的研究，发现研究主要针对具有双管结构的内翅片，重点多集中在如何扩展管内的有效传热面积，而针对单管形式，通过破坏边界层、强化流体间混合程度和扰流度的强化传热方式却很少见，同时，内翅片和外管内壁的面接触能够实现管束的自支撑，省去常规内翅片管的内部管芯结构，降低流动阻力，具有较高的研发前景和工程应用潜力。

发明内容

本发明是针对上述背景技术中存在的不足提供一种结构简单的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其形式多样，且易成型加工，能够有效地增大传热面积。同时，由于横截面的变化，螺旋通道起到周期性干扰和破坏边界层的作用，从而产生整体的螺旋运动，增加了大量的二次流，加大了湍流度，对核心区域通道产生有益的混合传热。在流动的过程中，内翅片上未开窗的部分边界层不断地增长，随着流体流经所开的窗口，窗口对流体的流动造成了扰动，使流动方向发生了变化，从而使脉动阻力增大，压力损失主要集中在流体流入窗口的入口处，同时阻止了边界层的发展，大大改善了对流换热条件。此外，底面上的小孔，能使热边界层厚度减薄，提高管内整体强化传热效果。

为解决上述技术问题，本发明通过如下技术方案实现：一种新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，包括外管1以及嵌套于外管1中的螺旋百叶窗式矩形内翅片2。螺旋百叶窗式矩形内翅片2与外管1同轴，其凸台3的上表面与外管1内壁利用热胀冷缩的原理紧密贴合；螺旋百叶窗式矩形内翅片2两侧直壁5上开有百叶窗6，底面上设有多条孔或多条缝8；螺旋百叶窗式矩形内翅片2是采用3D打印技术加工而成。

所述外管1的横截面可以为圆形、椭圆形、花瓣形。

所述螺旋百叶窗式矩形内翅片2上凸台3的数量，可根据实际工况需要而确定。

所述螺旋百叶窗式矩形内翅片2上的凸台3与外管1内壁采用面接触，通过降低内翅片的温度或升高外管的温度，利用热胀冷缩的原理，使内翅片2和外管1紧密贴合。

所述螺旋百叶窗式矩形内翅片2上凸台3的形状可以为矩形、楔形、锯齿形、梯形及其它多边形。该结构能够实现管束的自支撑，在增强结构强度和稳定性的同时，省去了常规内翅片管的管芯结构，有效避免了内部芯管的使用，降低了材料的成本。

所述螺旋百叶窗式矩形内翅片2将外管1划分成多个独立的螺旋通道，这些通道互不干扰。

所述螺旋百叶窗式矩形内翅片2的底面7开有多个孔或多条缝8，孔的形状可以为圆形、三角形、梯形及其它多边形。

所述百叶窗6可以布置多组，可以等间距连续排列，也可以非等间距间断排列；其窗口形状多样，可以是矩形、楔形、三角形、梯形、锯齿形及其他多边形。

所述百叶窗6的夹角为α，其中15°＜α＜85°，当窗口间距S、长度L愈小，百叶窗的高度H愈高，即百叶窗的夹角愈大，传热效果越好。

所述凸台3两侧的的百叶窗6既可以同向布置，也可以反向布置；可以并列布置，也可以错向布置。

所述螺旋百叶窗式矩形内翅片管使用的管材和板材可以不一致，范围包括碳钢、不锈钢、钢及钢合金、铝及铝合金、铜及铜合金以及其他特种金属。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.该结构通过热胀冷缩的原理，将翅片管凸台的上表面与外管内壁以面接触的方式贴合，增加了整体结构的强度，能够实现管束的自支撑，省去常规内翅片管的管芯结构，降低了材料的成本；

2.外管、翅片管结构形式多样，选择范围广，可以根据工程实际的需要选择合适的结构；

3.与光管相比，通过添加百叶窗式矩形内翅片，能够增加传热面积，提高传热效率；

4.在螺旋矩形内翅片管底面开孔或开缝可以破坏流体的流动边界层和热边界层，增强扰动，达到高效传热的目的；

5.流体在管内流动时，内翅片上未开窗的部分边界层不断地增长，随着流体流经所开的窗口，窗口对流体的流动造成了扰动，使流动方向发生了变化，从而使脉动阻力增大，压力损失主要集中在流体流入窗口的入口处，同时阻止了边界层的发展，大大改善了对流换热条件。

6.内翅片上的百叶窗布置方式灵活多样，可根据实际工况的需要来确定。

7.百叶窗的特征参数包括；间距S、长度L、宽度W、高度H、角度α，选择合适的参数，在强化传热的同时，也能有效降低管内的流动阻力。

8.对于呈螺旋状的百叶窗式矩形内翅片管，当流体流经变截面的管内时，沿通道呈现螺旋流动，加强了对边界层的扰动，从而产生了大量的二次流，同时，由于逆压差的存在，使边界层分离，促进了边界层流体和主流流体的混合，强化了对流传热；

9.内翅片管的螺旋状结构，可以抑制管内结垢，具有自洁作用；综上所述，采用本发明可以极大的增加管内的传热面积，并产生涡结构，而内翅片上开窗和开孔可以破坏边界层，强化流体间混合程度和扰流度，从而增强百叶窗式矩形内翅片管的传热特性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明所述凸台直壁侧的两种百叶窗结构示意图。

图3为本发明所述凸台直壁侧的两种百叶窗结构示意图。

图4为本发明所述的带有百叶窗的翅片展开结构示意图。

图5为本发明所述的螺旋百叶窗式矩形内翅片结构示意图。

图中：1—外管；2—百叶窗式矩形内翅片；3—凸台；4—平直矩形翅片；5—直壁；6—百叶窗；7—底面；8—孔或缝；L—开窗长度；W—开窗宽度；H—开窗高度；S—开窗间距。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构。

本发明所提供的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管结构简单，形式多样，且易加工成型，通过增加传热面积和破坏边界层达到强化传热的目的。当流体在管内流动时，内翅片的存在使得接触面积增加，并产生涡结构；同时，内翅片底面开孔以及直壁上的开窗结构破坏了流体的边界层，增加了流体流动过程的扰动，从而强化传热，提高了内翅片管的传热性能。

如图1、图5所示，本实施例的螺旋百叶窗式矩形内翅片管，包括外管1以及在外管1内部同轴穿套的螺旋百叶窗式矩形内翅片2，螺旋百叶窗式矩形内翅片2同轴贯穿于外管1之中，将主流道划分成若干个独立的螺旋通道。所述内翅片2与外管1之间面接触，通过降低螺旋百叶窗式矩形内翅片2的温度或升高外管1的温度，利用热胀冷缩原理，使两者以面接触的方式紧密相贴，起到增强百叶窗式矩形内翅片管结构强度，减少芯管使用的作用。其中，外管1的形状可以为圆形、椭圆形、花瓣形，螺旋百叶窗式矩形内翅片2上凸台3的形状可以为矩形、锯齿形、梯形，同时，凸台3的个数可以根据实际情况的需要进行确定。本具体实施例中，外管1的形状为圆形，凸台3的形状为矩形，个数为6。

如图1所示，内翅片将外管内的流道分成若干个独立的螺旋式流通通道，当流体流经该通道时，由于通道内横截面的变化，流动方式呈螺旋状，加强了扰动，从而造成对边界层的干扰和破坏，增大湍流度，提高传热系数。螺旋百叶窗式矩形内翅片2的凸台3的上表面与外管1内壁的接触为面接触，大大增强了整体结构的稳定性，同时避免了内部芯管的使用，节省了材料；所述凸台3的数量，可根据实际工况而确定；所述凸台3的形状可以为锯齿形、矩形、梯形。新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管使用的管材和板材范围广泛，包括不锈钢、碳钢、钢及钢合金、铝及铝合金、铜及铜合金以及其他特种金属。螺旋百叶窗式矩形内翅片2的底面7开有若干个孔或若干条缝8，孔或缝8的排列方式可以是交错式的，也可以是直线式的；孔或缝8的数量，可根据实际工况而确定，可多组或多排；小孔8的形状，可以是圆形、三角形、梯形及其它多边形。

如图2-4所示，百叶窗6可以布置多组，可以等间距连续排列，也可以非等间距间断排列；对于两侧的的百叶窗6，既可以同向布置，也可以反向布置，可以并列布置，也可以错向布置；百叶窗形状多样，可以是矩形、楔形、三角形、梯形及其他多边形。本具体实施例中，百叶窗形状为矩形，在直壁两侧并列同向布置；百叶窗的特征参数包括；间距S、长度L、宽度W、高度H、角度α，其中15°＜α＜85°。适当调节上述参数，螺旋百叶窗式矩形内翅片管的管内流体介质能够被有效强化传热。

螺旋百叶窗式矩形内翅片2的每个直壁5上，开设多组百叶窗6或其他微结构，可以有或无规则设置，其排列方式可以是直线式的，也可以是并列式的；可以等间距连续排列，也可以非等间距间断排列；百叶窗6的具体形式可以为矩形、楔形、三角形、梯形、锯齿形及其他多边形。

依据上述百叶窗6的特点，设计百叶窗6的过程中，应根据工况要求的换热量，确定百叶窗6的数量；根据流体介质的粘性，确定夹角α的范围；根据流动阻力限制要求，确定百叶窗的特征参数、形状及布置形式。当完成相关参数的确定后，内翅片2区别于传统的加工方法，采用先进的3D打印技术，先通过计算机辅助设计或动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印成型。该技术无需机械加工或任何模具，在一定程度上减少了难度，大大缩短了产品的研制周期，降低成本的同时提高了生产效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：它由外管(1)和螺旋百叶窗式矩形内翅片(2)组成，所述螺旋百叶窗式矩形内翅片(2)同轴贯穿于所述外管(1)之中，将主流道划分成若干个独立的螺旋通道。

2.根据权利要求1所述的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：所述外管(1)的横截面结构为圆形、椭圆形、花瓣形。

3.根据权利要求1所述的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：所述螺旋百叶窗式矩形内翅片(2)与所述外管(1)以面接触的方式紧密相贴。

4.根据权利要求3所述的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：通过降低所述螺旋百叶窗式矩形内翅片(2)的温度或升高所述外管(1)的温度，利用热胀冷缩原理，使两者以面接触的方式紧密相贴。

5.根据权利要求3所述的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：所述螺旋百叶窗式矩形内翅片(2)的凸台(3)的上表面与所述外管(1)的内壁的接触为面接触；所述凸台(3)的形状为锯齿形、矩形、梯形。

6.根据权利要求1所述的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：所述螺旋百叶窗式矩形内翅片(2)的底面(7)开有若干个孔或若干条缝(8)，孔或缝(8)的排列方式是交错式的，或者是直线式的。

7.根据权利要求1所述的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：所述螺旋百叶窗式矩形内翅片(2)的每个直壁(5)上开设多组百叶窗(6)或其他微结构。

8.根据权利要求7所述的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：所述百叶窗(6)有规则设置或无规则设置，其排列方式是直线式的，或者并列式的；所述百叶窗(6)等间距连续排列，或者非等间距间断排列；所述百叶窗(6)的具体形式为矩形、楔形、三角形、梯形、锯齿形及其他多边形。

9.根据权利要求5或7所述的新型螺旋百叶窗式矩形内翅片管，其特征在于：所述螺旋百叶窗式矩形内翅片(2)的凸台(3)两侧直壁(5)上相对立的百叶窗(6)可以同向布置，也可以反向布置；可以并列布置，也可以错向布置；所述百叶窗(6)结构特征参数包括：间距S、长度L、宽度W、高度H、夹角α，其中15°＜α＜85°。