CN109945722A - 一种分形结构的内螺纹传热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分形结构的内螺纹传热管，包括管体和管体内壁面的分形螺纹齿，分形螺纹齿在管体横截面上的形状为科赫曲线或由标准科赫曲线变形而来，传热管的管体内壁面由科赫曲线沿轴向旋转拉伸形成或管体内壁面由标准科赫曲线变形而来；增大了流体与管壁的接触面积，从而在传热系数和传热温差不变的情况大增大流体与管壁间的传热功率，显著提高传热性能；分形内螺纹齿深入流体内部，其对流体的导向作用比普通的内螺纹齿更强，使流体工质产生更为强烈的旋转流动，从而使管内流体混合更好，对壁面的冷却效果也更好，同时还可以抑制流体在物性剧烈变化时会产生的传热恶化，从而使传热管的运行更为安全可靠。

Description

一种分形结构的内螺纹传热管
技术领域
本发明属于传热领域，具体涉及一种分形结构的内螺纹传热管。
背景技术
与传统水/蒸汽朗肯循环发电系统相比，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统具有更高的效率、更高的灵活性和较小的设备尺寸等优点，因而国内外科研院所及能源机构相继对超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统开展研究。
超临界二氧化碳布雷顿循环系统可以应用在光热发电、核电、燃煤发电以及余热发电等领域，在这些应用中二氧化碳工质在加热器中被加热到10MPa～30MPa，400℃～700℃，然后进入透平做功。在加热器中二氧化碳工质的吸热性能相对水工质较差，即二氧化碳工质对传热管的冷却能力较差，在相同壁面热流密度的情况下采用二氧化碳工质冷却的传热管管壁温度会更高，从而危机机组安全。
目前水/蒸汽工质朗肯循环发电系统中的工质加热器采用内螺纹管来强化传热，内螺纹管的头数一般为4～6头，螺纹的形状为梯形或矩形，螺纹的升角为30～60℃。虽然这种简单结构的内螺纹传热管也可用于强化加热器中超临界二氧化碳工质的传热性能，但是对传热能力提升的程度仍有限，无法达到水工质的传热性能。因此，开发一种新型的传热管提高超临界二氧化碳在加热器内的传热能力是极具工程实际意义的。
鉴于此，本发明提供了一种分形结构的内螺纹传热管，显著提升超临界二氧化碳工质的传热性能，提高二氧化碳工质对壁面的冷却能力，提高系统的性能和安全性。
发明内容
本发明的目的在于解决超临界二氧化碳工质在加热器中的传热能力不足的问题，提供一种分形结构的内螺纹传热管，增大管壁与流体间的传热面积，强化管内流体的混合，从而强化管内工质传热。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分形结构的内螺纹传热管，包括管体2和管体2内壁面的分形螺纹齿，分形螺纹齿在管体2横截面上的形状为科赫曲线1或由标准科赫曲线变形而来，传热管的管体2内壁面由科赫曲线1沿轴向旋转拉伸形成或管体2内壁面由标准科赫曲线变形而来。
形成传热管的管体2内壁面的科赫曲线1为2阶至6阶科赫曲线。
分形螺纹齿的内螺纹的螺旋升角为30°～60°。
传热管截面图形的相邻两条边之间由倒角光滑过渡。
本发明具有以下有益效果：传热管内壁面的分形螺纹齿结构采用2阶以上的科赫曲线，增大了流体与管壁的接触面积，从而在传热系数和传热温差不变的情况大增大流体与管壁间的传热功率；分形内螺纹齿深入流体内部，其对流体的导向作用比普通的内螺纹齿更强，即分形结构的内螺纹传热管内的工质旋转流动更为强烈，从而使传热管内流体混合更好，对壁面的冷却效果也更好，同时也可以抑制流体在物性剧烈变化时会产生的传热恶化。
附图说明
图1为科赫曲线的分形结构的内螺纹传热管横截面示意图。
图2为分形结构的内螺纹传热管示意图。
图3为标准科赫曲线变形而来分形结构的内螺纹传热管横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本实施例所述的一种分形结构的内螺纹传热管，其管体2的内壁面在任一横截面上的形状都为科赫曲线1，曲线阶数大于2。如图2所示，管体2的内壁面由科赫曲线1旋转和平移生成。
如图3所示，管体2的内壁面也可由标准科赫曲线变形而来，形成类似科赫曲线3的形状，以降低加工难度和成本。
本发明的具体工作过程为：
当流体工质在传热管内流动时，流体与传热管壁间的传热遵循以下公式：
Q＝hAΔT
式中，Q为传热功率，h为传热系数，A为传热面积，ΔT为传热温差。本发明中的分形螺纹齿结构与普通圆管和内螺纹管的相比，具有更大的传热面积A，即在相同的管道流通截面积的情况下，3阶科赫曲线分形螺纹齿的传热面积约是普通光管和内螺纹管的2～2.5倍。因此，分形结构的内螺纹传热管在传热系数h和传热温差ΔT不变的情况下，将传热功率提升2～2.5倍，极大提高了传热管的传热性能。
此外，分形螺纹齿的螺纹深入流体内部，当流体在管内流动时，流体工质在分形螺纹齿的导流作用下会产生更为强烈的旋转流动，强烈的旋转流动可以增强工质对管壁的冷却，同时也可以抑制流体在物性剧烈变化时会产生的传热恶化，从而使传热管的运行更为安全可靠。

Claims (4)

1.一种分形结构的内螺纹传热管，其特征在于：包括管体(2)和管体(2)内壁面的分形螺纹齿，分形螺纹齿在管体(2)横截面上的形状为科赫曲线(1)或由标准科赫曲线变形而来，传热管的管体(2)内壁面由科赫曲线(1)沿轴向旋转拉伸形成或管体(2)内壁面由标准科赫曲线变形而来。
2.根据权利要求1所述的一种分形结构的内螺纹传热管，其特征在于：形成传热管的管体(2)内壁面的科赫曲线(1)为2阶至6阶科赫曲线。
3.根据权利要求1所述的一种分形结构的内螺纹传热管，其特征在于：分形螺纹齿的内螺纹的螺旋升角为30°～60°。
4.根据权利要求1所述的一种分形结构的内螺纹传热管，其特征在于：传热管截面图形的相邻两条边之间由倒角光滑过渡。
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