CN111457774A - 一种开口螺旋插入片型强化传热管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管内强化传热技术领域，尤其涉及一种开口螺旋插入片型强化传热管，主要包括传热管、螺旋插入片和开口；所述螺旋插入片焊接于传热管中，与传热管壁面无缝贴合；所述开口设置在螺旋插入片外缘，开口尺寸参数一样，从横截面看管内相邻开口成α角度，所述开口形状可以是方形、梯形或半椭圆形，依据管内流体特性选用。本发明结构设计合理，在传热管内置开口螺旋插入片，扰动管壁边界层，强化管内传热；在螺旋插入片上设置开口，使得流体在开口处形成二次涡流，进一步减薄边界层，降低结焦母体浓度，同时降低管内流体阻力，提高流速，抑制管内壁面结焦；改变开口形状和调整螺旋插入片参数，高效应用于不同粘度、不同导热系数的流体。

Description

一种开口螺旋插入片型强化传热管

技术领域

本发明涉及管内强化传热技术领域，尤其涉及一种开口螺旋插入片型强化传热管。

背景技术

加热炉广泛应用于石油化工中，通过对加热炉传热管内的原料进行升温加热，使其达到裂解温度从而发生裂解反应。加热传热管内经常会发生结焦现象，焦沉积在管壁上，影响了传热管的传热，并使系统压力增加，甚至堵塞传热管，影响操作，为此需要定期清焦。在清焦时易发生焦炭不均匀燃烧现象，从而造成传热管局部过热，使传热管渗碳更加严重，严重影响了传热管的使用寿命。因此，采用强化对流传热技术，解决边界层结焦问题，提高加热炉传热效率是提升产量，降低能耗，延长传热管使用寿命的重要途径。

对于通过强化对流传热技术来提高加热炉的传热效率和解决传热管边界层结焦问题，主要的研究方向是在加热炉管内加入内构件来强化流体的流动，从而增大边界层内流体的速度及减小结焦母体浓度，达到抑制结焦的目的。

专利公开号CN 101846469 A带扭曲片的换热器。该专利公开了一种带扭曲片的换热器，通过在换热管内加入扭曲片，虽然强化了传热，但是扭曲片的设置增大了流体阻力，使管内压力增大，应用于加热炉中时，易产生结焦。专利公开号CN 102095332 A一种内置螺旋片的热交换管及其应用，该专利公开了一种内置螺旋片的热交换管及其应用，通过内置螺旋片，强化传热并且螺旋片和扭曲片相比，流体可以从螺旋片的中间流道流动，流动阻力相对较小，但强化传热能力相对不足。专利公开号CN 104296584 A，一种螺旋纽带被动强化换热管，该专利通过使用金属泡沫材料制造螺旋纽带，但是当流体介质粘度较大时候，极易堵塞，容易产生结焦。

发明内容

本发明要解决的问题是：鉴于目前应用于加热炉的传热管存在传热不均匀、传热效率低下以及常规内插件导致管内流体阻力增大、易出现结焦现象等，本发明的目的在于提出一种开口螺旋插入片型强化传热管，能高效应对传热管内各种不同粘度、导热系数的流体介质，强化流动传热，并通过设置开口结构，形成二次涡流，增强扰动边界层，降低结焦母体浓度，同时设置开口能充分降低管内流体阻力，提高管内流速，抑制管内壁面结焦，延长加热炉运行周期，强化传热的效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种开口螺旋插入片型强化传热管主要包括传热管、螺旋插入片和开口，所述螺旋插入片焊接在传热管内；所述螺旋插入片是在螺旋插入片外缘有多个开口，所有开口尺寸参数一样，从管内横截面看相邻开口成α角度，所述开口形状是方形、梯形或半椭圆形，选用不同的开口形状从而高效应对传热管内各种不同粘度、导热系数的流体介质。

一种开口螺旋插入片型强化传热管，随着流体在传热管内开始流动，流经螺旋插入片时，流体会沿着螺旋插入片的流道流动，由柱塞流转变成旋转流；同时，部分流体从螺旋插入片上的开口处流出，并在开口处形成二次涡流，进一步减薄管壁附近边界层，充分达到强化传热效果；部分流体从开口处流出，充分降低了管内流体的阻力，提高管内流速，并通过减薄边界层降低结焦母体浓度，实现抑制传热管壁面处结焦，延长传热管的使用寿命。

进一步地，所述螺旋插入片的扭曲比即螺旋插入片的螺距H与螺旋插入片外缘直径d比Y为1.5～9，目的在于控制螺旋插入片的螺旋密度，避免管内流体阻力过大，降低螺旋插入片对结焦的抑制作用；

进一步地，所述螺旋插入片的外缘直径d与传热管内径D的关系为：d＝D，可以确保螺旋插入片与传热管紧密贴合，增强传热效果；

进一步地，所述螺旋插入片的厚度h与传热管内径D的关系为：0.02D＜ h＜0.1D；螺旋插入片的径向宽度W与传热管内径D的关系为：0.2D＜W＜0.5D，通过控制螺旋插入片的径向宽度来调节螺旋插入片中间流道的尺寸,进而降低传热管内的阻力；

进一步地，所述开口在螺旋插入片上开口的深度S与螺旋插入片的径向宽度W的关系为：0.3W＜S＜0.5W,目的在于通过控制所述螺旋插入片的径向宽度W调节开口深度S，达到充分降低传热管内流体阻力的效果，防止深度S 过大扰动管内核心流，造成局部阻力系数过大；

进一步地，所述开口的开口形状可以是方形、梯形和半椭圆形，并且相邻开口之间的角度α为15°＜α＜60°，目的在于通过调整开口形状和螺旋插入片参数，高效应用于不同粘度、不同导热系数的流体；

进一步地，所述螺旋插入片单个长度I的范围是H≤I≤2H，便于螺旋插入片的生产运输以及安装，可以根据实际需要选择安装螺旋插入片的个数，还能自由控制管内螺旋插入片的安装间距。螺旋插入片的布置间距L应该小于传热管120倍直径,研究表明，单个螺旋插入片对传热管内流体强化作用会在下游距离螺旋插入片100D处逐渐消失，流体的湍流程度越来越弱，流体的切向速度越来越小。从进一步强化传热的角度考虑，可以在传热管内安装多个螺旋插入片，螺旋插入片之间的距离L＜120D，从而保持良好的强化传热效果；

本发明的有益效果是:本发明提供的一种开口螺旋插入片型强化传热管，结构设计合理，通过螺旋插入片将管内流体由柱塞流变为旋转流，减薄边界层，强化传热。在螺旋插入片上设置不同开口结构，高效应对传热管内各种不同粘度、导热系数的流体介质：管内设置螺旋插入片虽然强化了传热效果，但是会增大流体流动阻力，通过在螺旋插入片上设置方形开口，使得部分流体从开口处流出，降低流动阻力，并在开口处形成二次涡流，进一步减薄边界层，抑制结焦，强化流动传热；而当管内流体粘度较大、导热性能一般时，在限制开口深度条件下，梯形开口截面更大，可以大大减小流体所受到的流动阻力，增加流速，抑制结焦，同时减小α，增加开口数量，从而增加管壁处的二次涡流数量，强化传热效果；当管内流体是甲烷等粘度较小，导热性能较差的气体时，通过采用半椭圆形开口，缩小开口截面面积，防止流体对管内核心流造成扰动，并且设置较小的α，增加开口数量，大量增加二次涡流数量，充分减薄边界层，降低结焦母体浓度，抑制管壁处的结焦和强化流体传热效果。

附图说明

图1是本发明一种方形开口螺旋插入片型传热管的示意图。

图2是本发明一种梯形开口螺旋插入片型传热管的示意图。

图3是本发明一种梯形开口螺旋插入片的左视图。

图4是本发明一种半椭圆形开口螺旋插入片的主视图。

图5是本发明一种半椭圆形开口螺旋插入片的左视图。

附图中，1炉管，2螺旋插入片，3开口，4入口端，5出口端，D为传热管内径，d为螺旋插入片的外缘直径，α为相邻开口之间的角度，H为螺旋插入片的螺距，h为螺旋插入片的厚度，W为螺旋插入片的径向宽度，S为螺旋插入片上开口的深度，I为螺旋插入片的长度，Y为螺旋插入片的螺距H与螺旋插入片外缘直径d比，L为两个相邻螺旋插入片之间的布置间距

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

图1是一种方形开口螺旋插入片型传热管的示意图。流体从入口4流入传热管1内，在传热管1壁面附近，由于粘性力的影响，沿壁面法线方向存在相当大的速度梯度，会形成一个薄层附着于传热管1管壁，这个薄层就是普朗特所提出的边界层。边界层不仅存在相当大的速度梯度，物体被加热时，边界层区域也会有很大的温度梯度，因此边界层会极大的影响传热管1 对管内流体的传热效果，并且会导致出现结焦。相对应的，如果能减薄边界层，降低传热阻力，那么就能极大提高传热效率，同时抑制结焦。

实施例1

参见图1，本实施例为一种方形开口螺旋插入片型传热管，主要包括传热管1、螺旋插入片2和方形开口3，流体入口端4和流体出口端5。所述螺旋插入片2直径与传热管1内径相同，厚度为传热管内径的0.04倍，扭曲比为 2.4，焊接于传热管1上，无缝贴合，螺旋插入片2上有开口3，从管内横截面看相邻开口成60°。当流体从入口端4进入传热管1，在螺旋插入片2的导流作用下，流动轨迹会被强制改变，使得流体做螺旋湍流运动，同时管壁边缘的部分流体从螺旋插入片2的方形开口3处直接穿过，并且在方形开口3 处形成二次涡流，显著的增强了流体的扰动，提高换热性能，交换完热量后从流体出口端5流出。

实施例2

参见图2和图3，本实施例为一种梯形开口螺旋插入片型传热管，螺旋插入片2上的开口3的形状为梯形，从管内横截面看相邻开口成40°，螺旋插入片2和传热管1直径相同，厚度为传热管直径的0.02倍，扭曲比为2.0，主要适用于粘度较大、导热性能一般的流体。由于开口处的二次涡流对核心流造成扰动会导致局部阻力系数过大，所以有必要限制开口深度，而面对粘度较大、导热性能一般的流体时，方形开口因为形状特性限制，不能充分缓解螺旋插入片处的流体的流动阻力，而同样的开口深度，梯形开口3能通过更多的流体，同时通过提高扭曲比，降低螺旋插入片的螺旋密度，使得管内流体阻力大大降低，提高流速，从而抑制管壁面处的结焦和强化传热效果。

实施例3

参见图4和图5，本实施例为一种半椭圆形开口螺旋插入片型传热管，螺旋插入片2上的开口3的形状为半椭圆形，从管内横截面看相邻开口成36°，螺旋插入片2和传热管1直径相同，厚度为传热管直径的0.04倍，扭曲比为1.5，主要适用甲烷等粘度较小，导热性能较差的气体。通过将开口设置为半椭圆形，减小单个开口尺寸，防止过多气体从开口处流出，扰动核心流，同时通过减小α，增加半椭圆形开口数量以及降低扭曲比，增加螺旋密度来增强管内气体传热效果。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.一种开口螺旋插入片型强化传热管，其特征在于，主要包括传热管（1）、螺旋插入片（2）和开口（3），所述螺旋插入片（2）焊接在传热管（1）内；所述螺旋插入片（2）是在螺旋插入片外缘有多个开口（3），所有开口（3）尺寸参数一样，从管内横截面看相邻开口（3）成α角度，所述开口（3）形状可以是方形、梯形或半椭圆形。

2.根据权利要求1所述的一种开口螺旋插入片型强化传热管，其特征在于,螺旋插入片（2）的扭曲比即螺旋插入片的螺距H与螺旋插入片外缘直径d比Y为1.5～9；螺旋插入片（2）的外缘直径d与传热管内径D的关系为：d=D；螺旋插入片（2）的厚度h与传热管直径D的关系为：0.02D＜h＜0.1D；螺旋插入片（2）的径向宽度W与传热管直径D的关系为：0.2D＜W＜0.5D。

3.根据权利要求1所述的一种开口螺旋插入片型强化传热管，其特征在于,所述开口（3）在螺旋插入片（2）上开口（3）的深度S与螺旋插入片的径向宽度W的关系为：0.3W＜S＜0.5W；相邻开口（3）之间的角度α为15°＜α＜60°。

4.根据权利要求1所述的一种开口螺旋插入片型强化传热管，其特征在于,螺旋插入片（2）的长度I的范围是H≤I≤2H，H为螺旋插入片的螺距，在传热管中可以单个布置，也可以多个同时布置，布置间距L为L＜120D。

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