CN108592682A - 一种几何改进型h型翅片管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种几何改进型H型翅片管及其换热管束，包括一根基管和设置在其两侧的多个翅片组；每个所述翅片组由两片翅片组成，两片翅片对称的通过其靠基管侧凹槽与基管1外壁连接，翅片组所在平面与基管的轴线垂直，其外部轮廓呈矩形，外部四角为圆角；取包含基管轴线且垂直于烟气流动方向的平面为分界面将翅片组分为两部分，上游为迎风侧，下游为背风侧；同一翅片组内两翅片间留有间隙，且迎风侧间隙小于背风侧间隙，迎风侧部分翅片面积大于背风侧部分；本发明迎风侧面积大于背风侧面积，特定的翅片前后间隙比、圆角比和宽高比可以显著降低换热器的积灰、磨损风险，并经实验和数值模拟印证可以在显著地强化换热的同时降低流动阻力，提高设备运行的效率和经济性。
Description
技术领域
本发明属于烟气余热利用的换热器技术领域，适用于能源、动力、制冷、化工、冶炼、石油等行业的换热设备及加热设备，具体涉及一种几何改进型H型翅片管。
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。
在换热器热阻大的一侧合理布置翅片增大换热面积，减小热阻，是换热器强化换热的方式之一，H型翅片管就是典型的例子。通过H 型翅片管的优化强化换热、减小流阻、减轻积灰磨损对换热器的安全高效运行具有重要意义。
H型翅片管，亦称H型鳍片。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，，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。
进入低温省煤器的烟气往往携带了一定量的飞灰，而烟气在H 型翅片管束外流动时会在背风侧产生气流分离和回流，该区域称为涡流滞止区。而涡流滞止区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，因此易形成积灰。
传统H型翅片具有其固有的弊端，如翅片组外部四角均为直角会增大流动阻力；翅片迎风侧与背风侧间隙比一致、宽高一致使得迎风侧与换热面积相等会造成传热恶化，降低换热效率；回流现象使得背风侧容易产生积灰，积灰导热系数低造成换热进一步恶化。
发明内容
解决上述工业实际应用中存在的问题，本的目的在于提供一种几何改进型H型翅片管，以提高H型翅片管的换热性能，降低其流动阻力，减小流动压损，并减轻翅片管的积灰与磨损。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种几何改进型H型翅片管，包括一根基管1和设置在其两侧的的多个翅片组2；每个所述翅片组2由两片翅片组成，两片翅片对称的通过其靠基管侧凹槽与基管1外壁连接，翅片组2所在平面与基管1的轴线垂直，其外部轮廓呈矩形，外部四角为圆角；取包含基管 1轴线且垂直于烟气流动方向的平面为分界面将翅片组2分为两部分，上游为迎风侧，下游为背风侧；同一翅片组内两翅片间留有间隙，且迎风侧间隙小于背风侧间隙，迎风侧部分翅片面积大于背风侧部分。
所述翅片组2迎风侧间隙为基管外径的0.15～0.17倍，背风侧间隙为基管外径的0.25～0.27倍。
所述翅片组2翅片组外轮廓宽度为基管外径的1.8～2.0倍，高度为基管外径的2.0～2.2倍。
所述翅片组2外部四角的圆角，其半径为基管外径的0.3～0.35 倍。
所述翅片组2的排列方式分为顺列布置、错列布置或沿烟气流动方向不等间距布置；所有翅片组相互平行。
所述基管1为椭圆管或圆管，椭圆管外径按长轴计算。
与现有技术相比，本专利具有以下优势：
本发明提出的一种几何改进型H型翅片管，其迎风侧间隙小于背风侧间隙，迎风侧部分面积大与背风侧部分的面积。烟气流经H 型翅片管时，背风侧会产生明显的气流分离和回流，换热性能降低且积灰更加严重。相比传统的H型翅片管，本发明提出的一种几何改进型H型翅片管迎风侧面积更大，背风侧间隙更大可以有效避免传热恶化。
本发明提出的一种几何改进型H型翅片管每一个翅片组内的一对翅片外侧边缘构成的假想矩形四角处均为圆角，相比传统H型翅片管，烟气流经之后的压降值明显减小，流动阻力降低，压损减小，意味着同样条件下所需的泵功减小，经济性更优。
本发明H型翅片管的宽高比小于1，相比于宽高相等的传统的H 型翅片管，相同的换热总面积情况下，烟气在本发明提出的H型翅片表面的流程更长，换热效果更好。这也就意味着对于换热量一定的换热设备，采取本发明提出的结构可以节省钢材消耗，降低成本。并且由于几何尺寸迎风面与背风面不同，便于易安装固定。
数值模拟结果证明，相比传统H型翅片管，本发明几何改进型H 型翅片管平均对流换热系数提高至少15％。
数值模拟结果证明，相比传统H型翅片管，本发明几何改进型H 型翅片管流动压损降低20％以上。
附图说明
图1是本发明一对翅片组及其所连接基管部分的结构示意图。
图2是本发明翅片管主视图。
图3是本发明一对翅片组及其所连接基管部分的俯视图。
图4是本发明一种几何改进型H型翅片管与传统H型翅片管换热特性对比图。
图5是本发明一种几何改进型H型翅片管与传统H型翅片管流阻特性对比图。
图6是本发明一种几何改进型H型翅片管与传统H型翅片管综合性能对比图。
图7为相同数值计算边界条件下本发明与传统H型翅片管翅片表面温度分布图(单位：K)。
图8为相同数值计算边界条件下本发明与传统H型翅片管翅片表面流场分布图(单位：m/s)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作更详细的说明。以下实例有利于相应技术人员更好地了解本发明，但不以任何形式限制本发明。并且应当指出，对本研究领域的技术人员来说，可以在本发明构思基础上做出改进，这都属于本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示，一种几何改进型H型翅片管，包括一根基管1和设置在其两侧的的多个翅片组2；每个所述翅片组2由两片翅片组成，两片翅片对称的通过其靠基管侧凹槽与基管1外壁连接，翅片组2所在平面与基管1的轴线垂直，其外部轮廓呈矩形，外部四角为圆角；取包含基管1轴线且垂直于烟气流动方向的平面为分界面将翅片组2分为两部分，上游为迎风侧，下游为背风侧；同一翅片组内两翅片间留有间隙，且迎风侧间隙小于背风侧间隙，迎风侧部分翅片面积大于背风侧部分。基管1内部有流动换热工质，一般为液体，且热传导能力大于翅片外部流体。
本发明通过基管与翅片配合，基管迎风面与背风面翅片间隙不同而形成的直通道式的烟气通道的流畅性好，因此与普通H型翅片管相比，本发明大量减少了翅片中的积灰，便于清扫，提高了翅片管的耐磨性和防积灰性。另外翅片前后间隙比不同的H型翅片管单元结构，便于对齐，定位准确，方便安装。
优选实施例：
基管1内径38mm，壁厚3mm，一对翅片组2外轮廓80mm×76mm (宽高比0.95)，翅片迎风侧间隙6mm(无量纲迎风侧间隙0.158)，背风侧间隙10mm(无量纲背风侧间隙0.263)，前后间隙比0.6，圆角半径12mm(无量纲圆角半径比0.316)。
图4为本发明与传统H型翅片管换热特性对比图，以壁面平均努塞尔数为翅片对流换热能力的量化指标，与传统H型翅片管相比，本专利换热能力提高16.8％。
图5为本发明与传统H型翅片管流阻特性对比图，以欧拉数为翅片流阻特性的量化指标，与传统H型翅片管相比，本发明流阻特性降低29％。
图6为本发明与传统H型翅片管综合性能对比图，以hA·W-1为翅片管综合性能量化指标，其中hA为总换热量，W为泵因流动阻力所需多做的功。与传统H型翅片管相比，本发明综合性能提高45.8％。
图7为相同数值计算边界条件下本发明与传统H型翅片管翅片表面温度分布图(单位：K)，可以看出本发明相比原型，翅片表面温度分布更为均匀，这也就意味着肋效率更高，热传导效果更好，对流换热效果更佳。
图8为相同数值计算边界条件下本发明与传统H型翅片管翅片表面流场分布图(单位：m/s)，可以看出本发明相比原型，其流场在基管背部形成的扰流滞止区作用范围更小，也就更好地避免了传热恶化。
本发明几何改进型H型翅片管可以直接应用于烟气余热回收工艺，也可以制作为模块化结构，应用于电厂过热器、省煤器等场合。
Claims (6)
1.一种几何改进型H型翅片管，其特征在于：包括一根基管(1)和设置在其两侧的的多个翅片组(2)；每个所述翅片组(2)由两片翅片组成，两片翅片对称的通过其靠基管侧凹槽与基管(1)外壁连接，翅片组(2)所在平面与基管(1)的轴线垂直，其外部轮廓呈矩形，外部四角为圆角；取包含基管(1)轴线且垂直于烟气流动方向的平面为分界面将翅片组(2)分为两部分，上游为迎风侧，下游为背风侧；同一翅片组内两翅片间留有间隙，且迎风侧间隙小于背风侧间隙，迎风侧部分翅片面积大于背风侧部分。
2.根据权利要求1所述的一种几何改进型H型翅片管，其特征在于：所述翅片组(2)迎风侧间隙为基管外径的0.15～0.17倍，背风侧间隙为基管外径的0.25～0.27倍。
3.根据权利要求1所述的一种几何改进型H型翅片管，其特征在于：所述翅片组(2)外轮廓宽度为基管外径1.8～2.0倍，高度为基管外径的2.0～2.2倍。
4.根据权利要求1所述的一种几何改进型H型翅片管，其特征在于：所述翅片组(2)外部四角的圆角，圆角半径为基管外径的0.3～0.35。
5.根据权利要求1所述的一种几何改进型H型翅片管，其特征在于：所述翅片组(2)的排列方式分为顺列布置、错列布置或沿烟气流动方向不等间距布置；所有翅片组相互平行。
6.根据权利要求1所述的一种几何改进型H型翅片管，其特征在于：所述基管(1)为椭圆管或圆管，椭圆管外径按长轴计算。
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