CN108731534A - 一种表面辐射状开缝h型翅片管 - Google Patents

一种表面辐射状开缝h型翅片管 Download PDF

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Abstract

一种表面辐射状开缝H型翅片管，包括一根基管和沿基管轴向布置的套装在基管外壁两侧的多个翅片组；每个翅片组由两片翅片组成，翅片为矩形，对称的通过其靠基管侧凹槽与基管外壁连接，两片翅片位于垂直于基管轴向的同一水平面上，之间具有一定间隙，翅片表面有若干条开缝；开缝与来流方向夹角为40°～50°，并在基管中心与翅片四角的连线两侧对称布置；本发明翅片表面开缝可以很好地对外部流体进行扰动，破坏边界层以强化传热；其次开缝方向几乎不会影响翅片管内部的热传导，也即不会使肋效率降低；再次开缝方向和流动方向可以在形成扰动破坏边界层的同时尽可能降低因边界层破坏而增加的流动阻力，再加上流动摩擦面积减小，两因素使得本发明流动阻力整体降低。

Description

一种表面辐射状开缝H型翅片管
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，具体涉及一种表面辐射状开缝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，本发明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，如翅片表面平滑没有形成扰动，会使边界层随流动不断发展，造成换热效率低、传热恶化等后果。
发明内容
为解决上述工业实际应用中存在的问题，本发明的目的在于提供一种表面辐射状开缝H型翅片管，以在提高H型翅片管的换热性能的同时，尽可能降低其流动阻力，减小流动压损，最大限度地提高综合性能。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种表面辐射状开缝H型翅片管，包括一根基管1和沿基管1轴向布置的套装在基管外壁两侧的多个翅片组2；每个翅片组2由两片翅片组成，翅片为矩形，对称的通过其靠基管侧凹槽与基管1外壁连接，两片翅片位于垂直于基管1轴向的同一水平面上，之间具有一定间隙，翅片表面有若干条开缝3；所述开缝3与来流方向夹角为40°～50°，并在基管中心与翅片四角的连线两侧对称布置，开缝3的宽度为基管外径的1/15～1/10；开缝3的长度为基管1外径的1/3～2/3。
所述开缝3的条数为偶数，开缝3与来流方向夹角45°。
所述开缝3四角为直角或圆角。
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，本发明具有以下优点：
本发明一种表面辐射状开缝H型翅片管，是在综合研究翅片表面各种开缝尺寸、开缝位置(如迎风侧和背风侧)、开缝角度、对称性等各种因素综合提出的。
传统翅片管表面开缝往往垂直于来流方向，并且侧重于研究翅片表面迎风侧或背风侧开缝的差别并选取效果更好的部位开缝。这种开缝方式一般在提高换热能力的同时明显增大翅片管表面的流动阻力，而设计者只看到换热能力提高了多少，忽略了流动阻力增大使得所需耗费的泵功增大而带来的负面效应，这会造成综合性能提高不明显甚至降低的结果。
本发明翅片表面开缝形式，开缝宽度短，开缝长度适当拉长，可以尽可能大范围影响来流的同时，避免总体换热面积的减小。开缝可以很好地对外部流体进行扰动，破坏边界层以强化传热。
翅片换热效率很大程度上是取决于其肋效率的高低，也即翅片四周温度与基管处温度的差别，其他条件相同的情况下，该温度差别越小则肋效率越高，翅片换热效果越好。而翅片材质是确定的，正常情况下翅片材料的导热系数在其表面所处的整个温度范围基本可以视为常数，因此必须重视的就是表面的开缝必须与翅片上沿温度梯度从高到低的热传导方向一致。所以我们选取的开缝方向恰好与翅片表面由基管到四周的热传导方向平行，这样开缝几乎不会影响翅片管内部的热传导，也即不会使肋效率降低。传热特性的提高已经经过实验和数值模拟验证，结果显示此种开缝对换热能力至少提高30％以上。
当然传热性能的提高也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。
同时辐射状开缝在所有开缝形式中是最不容易积灰的开缝形式之一。飞灰流动方向一般和来留烟气基本一致，辐射状开缝在对来流烟气产生扰动的同时也对翅片附近的飞灰产生同样的扰动，而与飞灰流动方向成45度左右的开缝，其每条开缝四条边界与飞回流向夹角均为45度，避免了与飞灰流向垂直边界的存在从而可以减少积灰。如果加工条件允许，本发明中所有开缝四角均应进行圆角处理，这样会进一步减少积灰。辐射状开缝条件下灰尘颗粒物沉积率下降一般超过60％。
不易积灰的特点也意味着翅片管在自然运行过程中发生的磨损更加轻微，寿命更长，成本更低。
辐射状开缝相比其他开缝方式更利于加工。翅片管的制作过程中通常会有胀管的工艺，这也是制约传统开缝方式加工的重要原因。而辐射状开缝的方向恰好与胀管过程中翅片管表面应力传导方向一致，加上其危险截面面积最大，这两个条件成立也就意味着同样条件下该翅片管在加工过程中所受到的最大挤压应力和最大剪切应力均能达到最低值，对材料的耐受度要求最低，因此显然更易于加工。同时，辐射状开缝相比其他形式的开缝在加工过程中更不容易受到破坏而变形。
开缝方向和流动方向为45度左右夹角，这也是综合考虑传热和流阻特性所得出的最优选择，这可以在形成扰动破坏边界层的同时尽可能降低因边界层破坏而增加的流动阻力，因此和流动摩擦面积减小二者同时作用下流动阻力整体降低。数值模拟证明辐射状开缝使得流动阻力通常降低10％以上。
附图说明
图1是本发明中一对翅片组及其所连接基管部分的立体图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明中一对翅片组及其所连接基管部分的俯视图。
图4是本发明一种表面辐射状开缝H型翅片管与传统H型翅片管换热性能对比图。
图5是本发明一种表面辐射状开缝H型翅片管与传统H型翅片管流阻性能对比图。
图6是本发明一种表面辐射状开缝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。
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。
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，一种表面辐射状开缝H型翅片管，包括一根基管1和沿基管1轴向布置的套装在基管外壁两侧的多个翅片组2；每个翅片组2由两片翅片组成，翅片为矩形，对称的通过其靠基管侧凹槽与基管1外壁连接，两片翅片位于垂直于基管1轴向的同一水平面上，之间具有一定间隙，翅片表面有若干条开缝3；所述开缝3与来流方向夹角为40°～50°，并在基管中心与翅片四角的连线两侧对称布置，开缝3的宽度为基管外径的1/15～1/10；开缝3的长度为基管1外径的1/3～2/3。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。翅片组2包含一组两个尺寸完全相同的翅片，其按一定节距规则排列，翅片内侧有和基管外壁吻合的凹槽，且关于两翅片间隙的中间平面对称。所述翅片组2为沿基管轴向布置的连接在基管外壁的平行翅片组。
本发明在传统H型翅片管基础上进行最恰当的开缝形式，不仅有效提高了翅片的综合性能，还可以节省钢材消耗，降低成本，同时减少积灰，降低磨损，降低流动阻力以减少泵功。
优选实施例：
基管1内径38mm，壁厚3mm，一对翅片组2外轮廓80mm×80mm，翅片间隙10mm，开缝3尺寸15mm×3mm。与之进行数值模拟对比的传统H型翅片管尺也采用上述除开缝外其他尺寸。
开缝3平行于基管中心与翅片四角的连线，与来流方向夹角45°，并在连线两侧对称布置。
每条开缝四角进行圆角处理。
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，本发明换热能力提高49％。
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13.1％。
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64％。
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)，左为原型右为本专利辐射状开缝翅片，读图可以看出，辐射状开缝翅片表面右基管到翅片四周的温度梯度更小，导热效果更好，温度分布更加均匀，这也就意味着肋效率更高，换热效果更好。
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)，左为原型右为本专利辐射状开缝翅片，读图可以看出，开缝对流场带来扰动，壁面了流动边界层的过度发展。
本发明表面辐射状开缝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 (5)

1.一种表面辐射状开缝H型翅片管，其特征在于：包括一根基管(1)和沿基管(1)轴向布置的套装在基管外壁两侧的多个翅片组(2)；每个翅片组(2)由两片翅片组成，翅片为矩形，对称的通过其靠基管侧凹槽与基管(1)外壁连接，两片翅片位于垂直于基管(1)轴向的同一水平面上，之间具有一定间隙，翅片表面有若干条开缝(3)；所述开缝(3)与来流方向夹角为40°～50°，并在基管中心与翅片四角的连线两侧对称布置，开缝(3)的宽度为基管外径的1/15～1/10；开缝(3)的长度为基管(1)外径的1/3～2/3。
2.根据权利要求1所述的一种表面辐射状开缝H型翅片管，其特征在于：所述开缝(3)的条数为偶数，开缝(3)与来流方向夹角45°。
3.根据权利要求1所述的一种表面辐射状开缝H型翅片管，其特征在于：所述开缝(3)四角为直角或圆角。
4.根据权利要求1所述的一种表面辐射状开缝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。
5.根据权利要求1所述的一种表面辐射状开缝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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