CN109163595A - 一种规则球孔多孔介质及应用该多孔介质的强化换热管 - Google Patents

一种规则球孔多孔介质及应用该多孔介质的强化换热管 Download PDF

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Abstract

本发明属于制冷与能源技术领域，具体涉及一种规则球孔多孔介质及应用该多孔介质的强化换热管。规则球孔多孔介质包括球孔、径向连通通道、轴向连通通道，多孔介质上球孔成排布置，位置规则，球孔的直径相同，同一排球孔之间采用径向连通通道连接，相邻排球孔之间通过轴向连通通道连接，其材质依据具体工况而定。插有规则球孔多孔介质的强化换热管还包括端塞、圆管，规则球孔多孔介质插件在圆管中可以是单根或多根旋转放置，圆环状端塞位于圆管端口处固定多孔介质，规则球孔多孔介质之间旋转一定的角度后紧密衔接，旋转角度为同一排相邻两球孔间的夹角。本发明安装方便，球孔之间的连通性好，流动规律性强，流动阻力小，强化换热效果好。

Description

一种规则球孔多孔介质及应用该多孔介质的强化换热管
技术领域
本发明属于制冷与能源技术领域，具体涉及一种规则球孔多孔介质及应用该多孔介质的强化换热管。
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，换热管是换热设备的重要组成部件，提高换热管的传热效率能够有效的提高换热设备的效率，对节省能源，提高其经济型具有重要的意义。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，具有易拆装、易更换、易排污等优点。近年来，由于多孔材料具有较好的吸声能力，较大的比表面积，较为复杂的流道结构，使其在降噪、强化换热等领域备受关注。
2017年6月出版的第38卷第3期的《核动力工程》上报道的《多孔介质材料强化滑油传热及阻力特性实验研究》中提到了规则开孔铝、球型开孔铝等两种多孔介质，用以强化光管的传热能力。两种多孔介质均在一定程度上提高了光管的换热能力，但是由于规则多孔铝是在实心圆柱上挖出圆柱形通孔，通孔方向与流动方向垂直，扰流作用并不明显，换热能力并未提升太多。而球型开孔铝虽然换热能力较强，但由于其球孔位置不规律，球孔间连通性差，导致其阻力过大，综合换热性能一般。
发明内容
本发明的目的在于提供一种规则球孔多孔介质及应用该多孔介质的强化换热管，其能够强化流体扰动、提高圆管壁面对流换热系数，综合换热性能优于规则开孔铝、球型开孔铝。
一种规则球孔多孔介质，包括球孔，径向连通通道，轴向连通通道，多孔介质上球孔成排布置，每排球孔数目相同，同一排内球孔的位置规则，球孔的直径相同，同一排球孔之间采用圆柱形径向通道连通，相邻排球孔之间通过轴向连通通道连接，规则球孔多孔介质的材质依据具体工况而定，对于有重量限制的，采用塑料等密度较轻的材料加工而成；对于抗腐蚀条件的，选择抗腐蚀材料加工而成。
所述一种规则球孔多孔介质，球孔为圆球孔或椭球孔，每排有3到5个球孔，所述球孔呈多边形方式布置。
所述一种规则球孔多孔介质，球孔为椭球孔时，椭球孔的长轴长度与短轴长度比值在1.0与3.0之间。
所述一种规则球孔多孔介质，径向连通通道的中轴线为所连通的两个球孔的球心的连线，通道直径为1/3至2/3球孔直径，通道为圆柱形通孔或圆台形通孔。
所述一种规则球孔多孔介质，轴向连通通道直径为1/3至2/3球孔直径，通道为圆柱形通孔或圆台形通孔。
所述一种规则球孔多孔介质，相邻两排球孔可以沿着所述多孔介质的中轴线旋转一定的角度布置，旋转角度为0-180度，相邻两排球孔的球心截面的距离为0.5倍至2倍球孔直径。
一种插有规则球孔多孔介质的强化换热管，包括规则球孔多孔介质插件，端塞，圆管，规则球孔多孔介质插件在圆管中为单根放置或多根旋转放置，规则球孔多孔介质的直径小于圆管直径，圆环状端塞的内圆直径大于规则球孔多孔介质直径，外圆直径小于圆管直径，圆环状端塞位于圆管端口处，用于固定规则球孔多空介质。
所述一种插有规则球孔多孔介质的强化换热管，规则球孔多孔介质之间旋转一定的角度后紧密衔接，旋转角度为同一排相邻两球孔间的夹角，即每排有三个球孔时为60度，每排有四个球孔时为45度，每排有五个球孔时为36度。
本发明的有益效果在于：
本发明的规则球孔多孔介质是采用3D打印技术得到的球孔规则的强化换热元件，球孔位置规则，流动规律性强，球孔之间的连通性好，流动阻力小，强化换热效果好。应用该多孔介质的强化换热管，其能够强化流体扰动、提高圆管壁面对流换热系数，综合换热性能优于规则开孔铝、球型开孔铝。
附图说明
图1为每排有三个球孔时的规则球孔多孔介质的三维效果图；
图2为每排有三个球孔时的规则球孔多孔介质的左视图；
图3为插有规则球孔多孔介质的强化换热管示意图；
图4为内插规则旋转三球床的强化换热管内流体的阻力系数随入口雷诺数的变化图；
图5为内插规则旋转三球床的强化换热管内流体的努塞尔数与光管的努塞尔数的比值随入口雷诺数的变化图；
图6为内插规则旋转三球床的强化换热管内流体的综合性能评价指标PEC随入口雷诺数的变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
如附图1-3所示，图1为每排有三个球孔时的规则球孔多孔介质的三维效果图；图2为每排有三个球孔时的规则球孔多孔介质的左视图；图3为插有规则球孔多孔介质的强化换热管示意图；图中：1-规则多孔介质插件；2-球孔；3-径向连通通道；4-轴向连通通道；5-端塞；6-圆管。每排上有三个球孔2，所述球孔2呈正三角形分布，同一排球孔2之间有径向连通通道3连通，相邻两排球孔2间距等于球孔直径，并由轴向连通通道4连通，球孔直径大小可根据实际圆管直径确定，多孔介质插件1的长度也可根据实际需求进行调整。假设圆管6直径为14mm，则球孔直径为12mm，多孔介质插件1的直径为13.5mm。径向连通通道3和轴向连通通道4的直径均可以为6mm。如图3所示，多孔介质插件1分段放置在圆管6中，相邻两插件之间紧密排列，后一排插件较前一排插件顺时针旋转60度。圆管两端设有用于固定规则球孔多孔介质的圆环状端塞5。
为了减少规则球孔多孔介质的阻力，多孔介质中的球孔2可以为椭球孔，同一排椭球孔的位置与圆球孔时一致，椭球孔的长轴与流体流动方向平行，长轴和短轴之比为1.5至2.5之间。相邻两排球孔之间依旧用圆柱型连通通道连通，通道直径为短轴长度的1/2。其他结构与圆球孔时一致。
为了增加图1中所示的每排有三个球孔的规则球孔多孔介质的扰流能力，将每一排球孔2的位置做出以下调整：
(1)将偶数排球孔的每个球孔的位置沿着插件的中轴线各自顺时针旋转60度；
(2)缩短相邻两排间球孔的距离至2/3倍的球孔直径，以使相邻两排间的球孔得以连通。
其他结构不做改变，与实例1所述一致。
下面结合具体数据对本发明进行描述：采用实例3所述的规则球孔多孔介质1，换热管内放置一段所述多孔介质插件1，多孔介质全长共有20排球型孔，第一排和最后一排球孔分别被切去一半。球孔直径为7.8mm，相邻两排球孔之间的间隔5.2mm，多孔介质插件的直径为13.5mm，总长度为98.8mm。圆管直径为14mm，总长度为100mm。换热管内的流动工质是68#滑油，圆管壁面为常温壁面，对流体进行冷却。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模拟与计算，并与光管进行对比和分析。
图4所示为阻力系数随进口雷诺数的变化规律，在相同条件下，新型换热管内的阻力系数高于光管，依据计算可知，新型换热管的阻力系数比光管高出27至95倍。
图5所示为新型换热管努塞尔数与光管努塞尔数之比随进口雷诺数的变化规律，在相同条件下，新型换热管内的努赛尔数高于光管，新型换热管的努赛尔数比光管高出2.11到6.00倍
图6所示为综合性能评价指标PEC值随进口雷诺数的变化规律。由图中可以看出，由于插入了规则旋转三球孔多孔介质，新型换热管的PEC值为1.45至3.36。
对于本领域的技术人员而言，可根据以上描述的技术方案及构思，进一步如改变相邻两排球孔的连通方式，调整球孔的错开角度以改变流道形状，增强换热，减少阻力，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种规则球孔多孔介质，包括球孔(2)，径向连通通道(3)，轴向连通通道(4)，其特征在于：多孔介质上球孔(2)成排布置，每排球孔数目相同，球孔的直径相同，同一排球孔之间采用圆柱形径向连通通道(3)连接，相邻排球孔之间通过轴向连通通道(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种规则球孔多孔介质，其特征在于：所述球孔(2)为圆球孔或椭球孔，每排有3到5个球孔，球孔呈多边形方式布置。
3.根据权利要求1所述的一种规则球孔多孔介质，其特征在于：所述球孔(2)为椭球孔时，椭球孔的长轴长度与短轴长度比值在1.0与3.0之间。
4.根据权利要求1所述的一种规则球孔多孔介质，其特征在于：所述径向连通通道(3)的中轴线为所连通的两个球孔(2)的球心的连线，通道直径为1/3至2/3球孔直径，通道为圆柱形通孔或圆台形通孔。
5.根据权利要求1所述的一种规则球孔多孔介质，其特征在于：所述轴向连通通道(4)直径为1/3至2/3球孔直径，通道为圆柱形通孔或圆台形通孔。
6.根据权利要求1所述的一种规则球孔多孔介质，其特征在于：所述球孔(2)相邻两排沿着多孔介质的中轴线旋转一定的角度布置，旋转角度为0-180度，相邻两排球孔的球心截面的距离为0.5-2倍球孔直径。
7.一种插有规则球孔多孔介质的强化换热管，包括规则球孔多孔介质插件(1)，端塞(5)，圆管(6)，其特征在于：规则球孔多孔介质插件(1)在圆管(6)中为单根放置或多根旋转放置，规则球孔多孔介质的直径小于圆管直径，圆环状端塞的内圆直径大于规则球孔多孔介质直径，外圆直径小于圆管直径，圆环状端塞位于圆管端口处。
8.根据权利要求7所述的一种插有规则球孔多孔介质的强化换热管，其特征在于：所述规则球孔多孔介质(1)之间旋转一定的角度后紧密衔接，旋转角度为同一排相邻两球孔间的夹角，即每排有三个球孔时为60度，每排有四个球孔时为45度，每排有五个球孔时为36度。
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