CN111238257B - 一种强化对流传热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化对流传热装置，该装置包括：沿第一方向延伸的基管；所述基管为刚性基管；所述基管内部用于第一流体流动，所述基管外部用于第二流体流动，所述第一流体和所述第二流体能通过所述基管的管壁传热；所述基管的外表面沿周向具有迎接所述第二流体的迎流表面和背对所述迎流表面的背流表面；沿第二方向延伸的肋片；所述肋片沿所述第二方向具有连接端和自由端，所述连接端固定连接于所述基管的背流表面；所述肋片表面平行于所述第一方向；所述肋片为弹性肋片。本发明提供的一种强化对流传热装置，能够提高对流传热效率。

Description

一种强化对流传热装置
技术领域
本发明涉及管道换热技术领域，特别涉及一种强化对流传热装置。
背景技术
在石油、化工、制冷、电力等众多工业领域中都需要大量的换热装置，用来实现热量在冷、热流体媒介之间的传递，达到加热或制冷(散热)的目的。在换热器传热过程中，固壁与流体间的对流传热热阻通常远大于固壁内导热热阻。在热交换过程中，对流传热效率不高是导致热流量降低和传热效率低下的主要原因。因此，强化对流传热是提高换热器效率的关键。
研究对流换热问题时，所设想的流体的温度变化全部集中于其中的一流体薄层，该薄层为热边界层。当流体流过现有技术中用于换热的管道后，会形成热边界层和“死水”区(流体流动较为缓慢的区域)，从而增大对流传热热阻，阻碍对流传热，导热传热效率不高。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种强化对流传热装置，能够提高对流传热效率。
本申请的技术方案如下：
一种强化对流传热装置，包括：
沿第一方向延伸的基管；所述基管为刚性基管；所述基管内部用于第一流体流动，所述基管外部用于第二流体流动，所述第一流体和所述第二流体能通过所述基管的管壁传热；所述基管的外表面沿周向具有迎接所述第二流体的迎流表面和背对所述迎流表面的背流表面；
沿第二方向延伸的肋片；所述肋片沿所述第二方向具有连接端和自由端，所述连接端固定连接于所述基管的背流表面；所述肋片表面平行于所述第一方向；所述肋片为弹性肋片。
作为一种优选的实施方式，所述基管的截面为圆形；所述迎流表面和所述背流表面所对应的圆心角均为180°；所述肋片的连接端连接于所述背流表面沿周向的中间位置。
作为一种优选的实施方式，所述第二方向为所述基管的径向。
作为一种优选的实施方式，所述肋片为矩形肋片。
作为一种优选的实施方式，所述肋片沿所述第二方向的边的长度，和所述基管的直径相等。
作为一种优选的实施方式，所述肋片平行于所述第一方向的边的长度，和所述基管的长度相等。
作为一种优选的实施方式，所述肋片的厚度是所述基管的直径的0.06倍。
作为一种优选的实施方式，所述肋片的无量纲弹性模量为104～4.6×104，且所述无量纲弹性模量满足关系式
Figure BDA0001882799480000021
其中，
Figure BDA0001882799480000022
为所述肋片的无量纲弹性模量；
E为所述肋片的弹性模量，单位为Pa；
ρ∞为所述第二流体的密度，单位为kg/m3；
u∞为所述第二流体的流速，单位为m/s。
作为一种优选的实施方式，所述肋片的无量纲弹性模量为2×104～4.6×104。
作为一种优选的实施方式，所述肋片的无量纲弹性模量为4.6×104。
有益效果：
本实施方式中的强化对流传热装置在使用时，基管与第二流体相比具有不同的温度。肋片的连接端固定连接在基管的背流表面，肋片的表面与第一方向平行。当有第二流体流过时，所述基管和肋片组成的肋片管结构，将出现热边界层分离并产生周期性的旋涡脱落，交替脱落的旋涡将会使肋片上下两侧压力出现周期脉动，进一步造成弹性肋片周期性的振动，减少边界层厚度和“死水”区面积，从而减小对流传热热阻，强化对流传热。本申请提供的一种强化对流传热装置，能够提高对流传热效率。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例中的强化对流传热装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图2a为本申请另一实施例中的强化对流传热装置的俯视图；
图3为不同情况下基管在雷诺数为200的自由来流作用下的时均努塞尔数；
图4为在雷诺数为200的自由来流作用下弹性肋片自由端的振幅；
图5为在雷诺数为200的自由来流作用下弹性肋片的振动频率；
图6为不同情况下基管在雷诺数为200的自由来流作用下的瞬时流线图；
图7为不同情况下基管在雷诺数为200的自由来流作用下某一时刻的温度分布等值线图。
附图标记说明：
1、基管；11、迎流表面；12、背流表面；2、肋片；21、连接端；22、自由端。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
发明人研究发现，利用换热结构振动改变原有流场结构、进而加强热边界层和“死水”区(流体流动较为缓慢的区域)与主流的相互作用，阻碍热边界层的形成，增加近壁处的流体湍流度，减少“死水”区面积，从而减小对流传热热阻，可以有效强化对流传热。
请参阅图1和图2。本申请实施方式中提供一种强化对流传热装置，包括基管1和肋片2。
其中，所述基管1沿第一方向延伸。本文所称“第一方向”是指基管1的长度方向。本申请对基管1的长度和形状不做限制，可以认为本申请所讨论的基管1是一个任意形状和长度的管状体。优选的，基管1是直管。
所述基管1是刚性的，第二流体流经基管1时，基管1不发生形变。在实际应用中，基管1内部用于第一流体流动，基管1外部用于第二流体流动，所述第一流体和所述第二流体能通过所述基管1的管壁传热。所述第二流体为自由来流，流动方向与第一方向垂直。所述基管1的外表面沿周向有迎接所述第二流体的迎流表面11和背对所述迎流表面11的背流表面12。第二流体流过基管1后，基管1的背流表面12产生周期性脱落的旋涡。
基管1传热包括第一流体和基管1管壁之间的导热或强迫对流传热、基管1管壁和第二流体之间的强迫对流传热。本申请实施方式所提供的一种强化对流传热装置旨在提高后者强迫对流传热的效率。需要说明的是，本申请对第一流体和第二流体的介质种类不做限制，且第一流体和第二流体可以为相同的介质，也可以为不同的介质。为了便于后面研究肋片2的规格对强化对流传热效果的影响，本实施方式中的第二流体为空气。
所述肋片2沿第二方向延伸，所述肋片2沿所述第二方向有连接端21和自由端22。所述连接端21固定连接于所述基管1的背流表面12。本申请对肋片2的连接端21和基管1的连接方式不做限制，具体的，可以是焊接，也可以是螺栓连接，螺纹连接，铆接等连接方式。
所述肋片2为弹性肋片，在第二流体流过其表面后，肋片2会产生振动。所述肋片2表面平行于所述第一方向，可以打乱基管1上旋涡脱落的规律，从而减少基管1背流表面12的死水区面积，提高换热效率。
本申请实施方式提供的强化对流传热装置，由一刚性基管1和弹性肋片2组成。肋片2的连接端21固定连接在基管1的背流表面12，肋片2的表面与第一方向平行。基管1与第二流体相比具有不同的温度。当有第二流体流过时，所述基管1和肋片2组成的肋片管结构，将出现热边界层分离并产生周期性的旋涡脱落，交替脱落的旋涡将会使肋片2上下两侧压力出现周期脉动，进一步造成弹性肋片2周期性的振动，减少边界层厚度和“死水”区面积，从而减小对流传热热阻，强化对流传热。本申请提供的一种强化对流传热装置，能够提高对流传热效率。
应用本实施方式所提供的强化对流传热装置，用于对流换热的基管1优选为圆管，即所述基管1垂直于第一方向的截面为圆形，但本申请对基管1的形状不做唯一的限定。基管1的具体尺寸根据应用场景的不同而不同。所述迎流表面11和所述背流表面12所对应的圆心角均为180°，即迎流表面11和背流表面12各占基管1的外表面的一半，迎流表面11和背流表面12在垂直于第一方向的截面上的轮廓均为半圆形。所述肋片2的连接端21连接于所述背流表面12沿周向的中间位置，使强化对流传热的效果更好。
具体的，第二方向为所述基管1的径向，即肋片2沿基管1的径向延伸，和第二流体的流向相平行，进一步提高对流传热效率。
需要说明的是，本申请对肋片2的个数不做限制，可在基管1的某一径向，沿基管1的长度方向间隔分布有多个肋片2。在本实施方式中，肋片2的个数为1个。无间隔分布的多个肋片，可使周期脱落的旋涡全部作用在肋片2上，而不会在肋片的间隔中生长，可加强肋片2的振动，从而提高对流传热的效率。
肋片2有上表面和下表面，当有第二流体流过时，第二流体同时和上表面、下表面接触，周期性脱落的旋涡也能作用在上表面、下表面。因此本申请实施方式中的肋片2仅连接在基管1周向的某一径向，而不会沿基管1的周向有多个径向连接有肋片，防止其余肋片对所述肋片2形成阻挡，影响第二流体和上表面、下表面的接触，从而导致肋片2无法有效振动而达不到强化对流传热的效果。
具体的，所述肋片2为矩形肋片。需要说明的是，本申请对肋片2的形状不做限制，示意性质地举例为：肋片2为弹性的片状或板状。本实施方式提供的强化对流传热装置的俯视图可以如图2a所示，在基管1的背流表面12上可以连接有多个矩形肋片。多个相同大小的矩形肋片沿基管1的长度方向均匀间隔分布。
为了便于后面研究肋片2的规格对强化对流传热效果的影响，在一个具体的实施方式中，装置的俯视图如图2所示，肋片2的个数为1个。肋片2平行于所述第一方向的边的长度，和所述基管1的长度相等。肋片2沿所述第二方向的边的长度，和所述基管1的直径相等。更具体的，所述肋片2的厚度是所述基管1的直径的0.06倍，肋片2的密度是第二流体密度的84.75倍。其中，肋片2沿所述第二方向的边的长度是根据多次实验得到的最佳数据。
从图3-图7可以看出，所述肋片2的无量纲弹性模量为104～4.6×104，且所述无量纲弹性模量满足关系式
Figure BDA0001882799480000051
其中，
Figure BDA0001882799480000052
为肋片2的无量纲弹性模量；E为肋片2的弹性模量，单位为Pa；ρ∞为第二流体的密度，单位为kg/m3；u∞为第二流体的流速，单位为m/s。优选的，所述肋片2的无量纲弹性模量为2×104～4.6×104。更优选的，所述肋片2的无量纲弹性模量为4.6×104。
图3为不同情况下基管在雷诺数为200的自由来流作用下的时均努塞尔数。雷诺数是用来表征流体流动情况的无量纲数，记作Re。Re＝u∞Dρ∞/μ；其中，u∞表示第二流体的流速，单位为m/s；D表示圆管的直径，单位为m；ρ∞表示第二流体的密度。在本实施方式中第二流体为空气，其密度在标准条件下为1.29kg/m3；μ表示第二流体的粘性系数，单位为kg/(m*s)。在本实施方式中，雷诺数取定值200，根据圆管直径D的不同，第二流体取不同的流速。在本实施方式中，圆管直径D取标准值1。努塞尔数表示对流换热强烈程度的一个准数，努塞尔数越大，表示对流换热越强烈。
如图3所示，共有三种情况，对应三个装置。第一个装置是无肋片的圆管；第二个装置是背流表面12设有刚性肋片的圆管，刚性肋片在第二流体作用下不发生振动或变形；第三个装置是背流表面12设有弹性肋片的圆管。第三个装置为本申请实施方式提供的装置。其中，三个装置中的圆管完全相同，第二个装置中的刚性肋片和第三个装置中的弹性肋片尺寸、形状均相同。
图3中的横坐标为第三个装置中肋片2的无量纲弹性模量，纵坐标为各装置的时均努塞尔数。改变第三个装置中肋片2的弹性模量，模拟不同装置在雷诺数为200的自由来流作用下的对流传热情况，得到图3所示不同装置的时均努塞尔数。从图3中可以看出相较于第一个装置，第二个装置的时均努塞尔数从22.984增加到23.468，增加了2.11％。相较于第二个装置，第三个装置中肋片2的无量纲弹性模量增加到4.6×104时,时均努塞尔数从23.468增加到26.066，增加了11.07％。
可以看出，第二个装置的对流换热性能优于第一个装置，第三个装置的对流换热性能优于第二个装置，即外壁设有弹性肋片2的圆管的对流换热性能最优，且弹性肋片2的无量纲弹性模量为104～4.6×104。优选的，当弹性肋片2的无量纲弹性模量为2×104～4.6×104时，该装置的对流换热性能更优，当弹性肋片2的无量纲弹性模量为4.6×104时，该装置的对流换热性能最优。
图4为在雷诺数为200的自由来流作用下弹性肋片2的自由端22的最大振幅。图4中的横坐标为本实施方式中肋片2的无量纲弹性模量，纵坐标为自由端22的最大无量纲位移，无量纲位移由位移除以圆管直径得到。
从图4中可以看出，当弹性肋片2的无量纲弹性模量从104增加到4.6×104时，自由端22的振幅从0.043增加到0.445，增大了近10倍。自由端22振幅的增加造成了图3中第三个装置时均努塞尔数的增加。肋片2的无量纲弹性模量为4.6×104时，自由端22的振幅最大，对应的图3中时均努塞尔数最大，对流传热效果最佳。
图5为在雷诺数为200的自由来流作用下弹性肋片2的振动频率，其中，横坐标为本实施方式中肋片2的无量纲弹性模量，纵坐标为无量纲振动频率。无量纲振动频率
Figure BDA0001882799480000071
满足关系式：
Figure BDA0001882799480000072
其中，D表示圆管的直径，单位为m；u∞表示第二流体的流速，单位为m/s；t表示时间，单位为s。
从图5中可以看出，当弹性肋片2的无量纲弹性模量从2×104增加到4.6×104时，弹性肋片2的振动频率锁定在弹性肋片2的一阶固有频率附近，产生“锁频”现象。“锁频”就是常见的共振现象，即外部激振力频率和结构的固有频率一致时，产生共振，使得振幅增大。因此肋片2的无量纲弹性模量从2×104增加到4.6×104时，弹性肋片2产生了图4所示的大幅振动。当肋片2的无量纲弹性模量为4.6×104时，肋片2的振动频率最接近肋片2的一阶固有频率，导致此时自由端22的振幅最大(见图4)，对应的图3中时均努塞尔数最大，对流传热效果最佳。
图6为不同情况下基管1在雷诺数为200的自由来流作用下的瞬时流线图。如图6所示，共有三种情况，对应三个装置。其中第一个装置、第二个装置和图3中的第一个装置、第二个装置完全相同，第三个装置肋片2的无量纲弹性模量为4.6×104。其中，图6的横向五幅图对应某装置一个周期内不同时间的瞬时流线图，纵向三幅图对应同一时间三个装置的瞬时流线图。
从图6中可以看出，第三个装置的弹性肋片2在自由来流作用下产生大幅度振动，使得圆管上的旋涡在还没有完全生长之前便脱落，减少了圆管后“死水”区面积，从而提高圆管对流传热的效果。
图7为不同情况下基管1在雷诺数为200的自由来流作用下某一时刻的温度分布等值线图。如图7所示，共有三种情况，对应三个装置，与图6中的三个装置完全相同。
从图7中可以看出，第三个装置的弹性肋片2在自由来流作用下产生大幅度振动，使得热边界层厚度显著减少，从而提高圆管对流传热的效果。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (9)

1.一种强化对流传热装置，其特征在于，包括：
沿第一方向延伸的基管；所述基管为刚性基管；所述基管内部用于第一流体流动，所述基管外部用于第二流体流动，所述第一流体和所述第二流体能通过所述基管的管壁传热；所述基管的外表面沿周向具有迎接所述第二流体的迎流表面和背对所述迎流表面的背流表面；
沿第二方向延伸的肋片；所述肋片沿所述第二方向具有连接端和自由端，所述连接端固定连接于所述基管的背流表面；所述肋片表面平行于所述第一方向；所述肋片为弹性肋片；所述肋片的无量纲弹性模量为104～4.6×104，且所述无量纲弹性模量满足关系式
Figure FDA0002825214350000011
其中，
Figure FDA0002825214350000012
为所述肋片的无量纲弹性模量；
E为所述肋片的弹性模量，单位为Pa；
ρ∞为所述第二流体的密度，单位为kg/m3；
u∞为所述第二流体的流速，单位为m/s。
2.根据权利要求1所述的强化对流传热装置，其特征在于，所述基管的截面为圆形；所述迎流表面和所述背流表面所对应的圆心角均为180°；所述肋片的连接端连接于所述背流表面沿周向的中间位置。
3.根据权利要求2所述的强化对流传热装置，其特征在于，所述第二方向为所述基管的径向。
4.根据权利要求1所述的强化对流传热装置，其特征在于，所述肋片为矩形肋片。
5.根据权利要求4所述的强化对流传热装置，其特征在于，所述肋片沿所述第二方向的边的长度，和所述基管的直径相等。
6.根据权利要求4所述的强化对流传热装置，其特征在于，所述肋片平行于所述第一方向的边的长度，和所述基管的长度相等。
7.根据权利要求4所述的强化对流传热装置，其特征在于，所述肋片的厚度是所述基管的直径的0.06倍。
8.根据权利要求1所述的强化对流传热装置，其特征在于，所述肋片的无量纲弹性模量为2×104～4.6×104。
9.根据权利要求8所述的强化对流传热装置，其特征在于，所述肋片的无量纲弹性模量为4.6×104。
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