CN111707113A - 一种轴向叶片逆向旋流换热套管 - Google Patents

一种轴向叶片逆向旋流换热套管 Download PDF

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CN111707113A CN202010521867.7A CN202010521867A CN111707113A CN 111707113 A CN111707113 A CN 111707113A CN 202010521867 A CN202010521867 A CN 202010521867A CN 111707113 A CN111707113 A CN 111707113A
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陈佰满
冯家杰
杨嘉慧
吴鉴涛
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Dongguan Kyoto Environmental Protection Engineering Co ltd
Dongguan University of Technology
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Abstract

本发明涉及流体换热的技术领域，更具体地，涉及一种轴向叶片逆向旋流换热套管，包括第一管和第二管，第二管穿设于第一管内，第一管设有流入热流体的第一进水口，第二管设有流入冷流体的第二进水口，热流体与冷流体的流动方向相反；第一进水口处设有第一旋流组件，第一旋流组件转动套接于第二管外壁且第一旋流组件位于第一管和第二管之间；第二进水口处设有第二旋流组件，第二旋流组件可转动地设于第二管内部。本发明第一旋流组件和第二旋流组件可自转动，促进流体的流动，提升对流换热效率；部分压损得到合理的转化，提升能源的有效利用率；且本发明冷流体与热流体的流动方向相反，换热套管的局部区域得到耐温保护，延长换热套管的使用寿命。

Description

一种轴向叶片逆向旋流换热套管
技术领域
本发明涉及流体换热的技术领域，更具体地，涉及一种轴向叶片逆向旋流换热套管。
背景技术
在能源、化工、食品等工业领域中，换热设备作为工业应用中至关重要的装置之一，其换热性能往往决定着能源的有效利用率及设备成本的投入。因此，强化传热技术的研究一直备受重视。换热管作为换热设备的核心元件，换热设备的实际换热效率总是受到换热管材料物性及形状结构的影响，而强化传热技术则是用于提高换热管换热性能的一大重要支撑技术。
强化传热技术形式多样，较常见的是利用内置插入物形成扰动强化换热。在众多内置形式中，鉴于进口段放置轴向叶片旋流器的换热形式具有占用体积小、安装维修方便以及结构紧凑可靠等优势，换热性能得到全面提升，而且流体流经旋流器后，形成强烈的涡旋流动，对管壁还起到一个强劲的冲刷作用，减少管道内壁水垢的形成。但换热过程中，由于安装在管道中的轴向叶片旋流器会占据一部分流道，使得流道体积减少，因此在存在强化传热的同时，必然伴随着流动阻力造成的能量额外损耗。为解决能量额外损耗问题，常需增加泵送功率，但这样换热管的换热性能得以提高，但提高的幅度受限，难以弥补泵送功率的消耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种轴向叶片逆向旋流换热套管，压损低、换热强度大，且换热套管的局部区域得到耐温保护，具有较长的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种轴向叶片逆向旋流换热套管，包括第一管和第二管，所述第二管同轴穿设于第一管内部，所述第一管设有用于流入热流体的第一进水口，所述第二管设有用于流入冷流体的第二进水口，所述热流体与冷流体的流动方向相反；所述第一进水口处设有第一旋流组件，所述第一旋流组件转动套接于第二管外壁且第一旋流组件位于第一管和第二管之间；所述第二进水口处设有第二旋流组件，所述第二旋流组件可转动地设于第二管内部。
本发明的轴向叶片逆向旋流换热套管，热流体由第一进水口输送到第一管内，热流体流经第一旋流组件形成强烈的涡旋流动，在流动过程中局部位置产生不稳定流和二次流；冷流体由第二进水口输送到第二管内，冷流体流经第二旋流组件形成强烈的涡旋流动，在流动过程中局部位置产生不稳定流和二次流；不稳定流和二次流可通过强烈的扰动冲击减薄边界层以及流动边界层，促进冷流体与热流体之间的传热传质和对流换热；换热过程中不同温度的流体呈现逆向对流换热的形式，使得换热套管的局部区域得到耐温保护，可延长换热套管的使用寿命，提高换热套管的有效利用率及换热套管的使用时间；热流体和冷流体的强迫流动促使第一旋流组件和第二旋流组件自转动，第一旋流组件、第二旋流组件占据的流道随着流体的流动而变化，使得部分压损得到合理的转化，可有效提升对流换热效率及能源的有效利用率。另外，强烈的旋流冲击可对第一管、第二管内壁水垢起到冲刷作用，并随热流体与冷流体流动排至换热套管外，减少水垢对换热的阻碍和流体流动的阻碍，减少换热套管的清洁和维修工作量，降低维护费用。
进一步地，所述第一管为中部呈圆筒形、两端呈半球形的对称管状结构，所述第二管为圆筒形管状结构，所述第二管同轴穿接于第一管内部且所述第一管、第二管的交接处密封连接。
进一步地，所述第一管设有第一出水口，所述第二管设有第二出水口，所述第一进水口、第一出水口位于第一管的两端且所述第一进水口朝上设置、第一出水口朝下设置，所述第二进水口、第二出水口位于第二管的两端且所述第二进水口靠近第一出水口设置、第二出水口靠近第一进水口设置。
进一步地，所述第一旋流组件包括第一轴承、第一挡圈及开设有第一通孔的第一旋流器，所述第一旋流器套接于第二管外，所述第一轴承安装于第一旋流器的两端，所述第一挡圈安装于第二管外壁且第一挡圈分别位于第一旋流器的两端。
进一步地，所述第一旋流器外周设有第一螺旋结构，所述第一螺旋结构与第一管内壁之间形成有第一螺旋流道。
进一步地，所述第一螺旋流道两端设有用于调整热流体流速的第一调速滑盖，所述第一调速滑盖可转动地安装于第一轴承与第一挡圈之间，所述第一调速滑盖设有与第一螺旋流道对应的第一扇形斜孔。
进一步地，所述第二旋流组件包括支撑杆、第二轴承、第二挡圈及开设有第二通孔的第二旋流器，所述支撑杆的端部安装于第二管的端部，所述第二旋流器套于支撑杆外，所述第二轴承安装于第二旋流器的两端，所述第二挡圈安装于支撑杆且第二挡圈位于第二旋流器的两端。
进一步地，所述第二旋流器外周设有第二螺旋结构，所述第二螺旋结构与第二管内壁之间形成有第二螺旋流道。
进一步地，所述第二螺旋流道两端设有用于调整冷流体流速的第二调速滑盖，所述第二调速滑盖可转动地安装于第二轴承与第二挡圈之间，所述第二调速滑盖设有与第二螺旋流道对应的第二扇形斜孔。
进一步地，所述第一旋流器与第一管内壁之间、所述第二旋流器与第二管内壁之间留有转动安全间隙。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在热流体的第一进水口处设置第一旋流组件，在冷流体的第二进水口处设置第二旋流组件，在流动过程中局部位置产生不稳定流和二次流；不稳定流和二次流可通过强烈的扰动冲击减薄边界层以及流动边界层，延长工作流体与换热面的换热接触时间，促进冷流体与热流体之间的传热传质和对流换热，可有效改善换热套管的换热效率；
本发明热流体经第一旋流组件、冷流体经第二旋流组件形成的涡流流动，对第一管、第二管的内壁水垢起到冲刷作用，可减少换热套管的清洁和维修工作量，降低维护费用；
本发明冷流体与热流体的流动方向相反，不同温度的流体呈现逆向对流换热的形式，换热套管的局部区域得到耐温保护，可延长换热套管的使用寿命，提高换热套管的有效利用率；
本发明第一旋流组件和第二旋流组件可自转动，自转动的速率随着流速的变化而变化，占据的流道随着流体的流动而变化，流道的阻碍作用相应减小：促进流体的流动，有效提升对流换热效率；部分压损得到合理的转化，有效提升能源的有效利用率；
本发明结构紧凑，便于组装和维修，且部件来源便捷、成本低廉可随时更换，有效节省时间、人力和物力。
附图说明
图1为本发明的轴向叶片逆向旋流换热套管的结构示意图；
图2为本发明的轴向叶片逆向旋流换热套管的爆炸图；
图3为半开状态时第一旋流器与第一调速滑盖及第二旋流器与第二调速滑盖的装配示意图；
图4为第一旋流器与第一调速滑盖及第二旋流器与第二调速滑盖的爆炸示意图；
图5为三种轴向叶片逆向旋流换热套管热通量的线形图；
图6为无旋流器的换热套管在模拟仿真试验中的温度云图；
图7为不可转动的轴向叶片旋流换热套管在模拟仿真试验中的温度云图；
图8为本发明轴向叶片旋流换热套管在模拟仿真试验中的温度云图；
图9为无旋流器的换热套管在模拟仿真试验中的压力云图；
图10为不可转动的轴向叶片旋流换热套管在模拟仿真试验中的压力云图；
图11为本发明轴向叶片旋流换热套管在模拟仿真试验中的压力云图；
附图中：1-第一管；11-第一进水口；12-第一出水口；2-第二管；21-第二进水口；22-第二出水口；3-第一旋流组件；31-第一轴承；32-第一挡圈；33-第一旋流器；34-第一螺旋结构；4-第二旋流组件；41-支撑杆；42-第二轴承；43-第二挡圈；44-第二旋流器；45-第二螺旋结构；46-连接板；47-条形孔；5-第一调速滑盖；51-第一连接部；52-第一滑动部；6-第二调速滑盖；61-第二连接部61；62-第二滑动部。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1至图4所示为本发明的轴向叶片逆向旋流换热套管的实施例，包括第一管1和第二管2，第二管2同轴穿设于第一管1内部，第一管1设有用于流入热流体的第一进水口11，第二管2设有用于流入冷流体的第二进水口21，热流体与冷流体的流动方向相反；第一进水口11处设有第一旋流组件3，第一旋流组件3转动套接于第二管2外壁且第一旋流组件3位于第一管1和第二管2之间；第二进水口21处设有第二旋流组件4，第二旋流组件4可转动地设于第二管2内部。本实施例中，第一旋流组件3与第二旋流组件4之间的水平距离可设置为1m，以确保水流充分发展的轴向流动，利用旋流的扰动作用效应，充分换热，当然第一旋流组件3与第二旋流组件4之间距离可根据应用场景需要进行调整；第一旋流组件3与第二旋流组件4的安装方式可采用可拆卸连接方式，以便于更换不同型号的旋流组件及旋流组件的清洁和维修。
本实施例实施时：热流体由第一进水口11输送到第一管1内，热流体流经第一旋流组件3形成强烈的涡旋流动，在流动过程中局部位置产生不稳定流和二次流；相同地，冷流体由第二进水口21输送到第二管2内，冷流体流经第二旋流组件4形成强烈的涡旋流动，在流动过程中局部位置产生不稳定流和二次流；不稳定流和二次流可通过强烈的扰动冲击减薄边界层以及流动边界层，延长工作流体与换热面的换热接触时间，促进冷流体与热流体之间的传热传质和对流换热，对第一管1、第二管2内壁水垢起到冲刷作用，有效改善换热套管的换热效率，减少换热套管的清洁和维修工作量，降低维护费用；
冷流体与热流体的流动方向相反，不同温度的流体呈现逆向对流换热的形式，使得换热套管的局部区域得到耐温保护，可延长换热套管的使用寿命，提高换热套管的有效利用率及换热套管的使用时间；
热流体和冷流体的强迫流动促使第一旋流组件3和第二旋流组件4自转动，自转动的速率随着流速的变化而变化，第一旋流组件3、第二旋流组件4占据的流道随着流体的流动而变化，流道的阻碍作用相应减小，可促进流体的流动，部分压损得到合理的转化，可有效提升对流换热效率及能源的有效利用率。
具体地，第一管1为中部呈圆筒形、两端呈半球形的对称管状结构，第二管2为圆筒形管状结构，第二管2同轴穿接于第一管1内部且第一管1、第二管2的交接处密封连接，防止水流渗透。将第一管1设置为对称管状结构，可赋予换热套管美观的外表；第一管1、第二管2交接处可采用焊接这样操作简易且密封性好的连接结构。为了减轻本发明换热套管的质量，本实施例的第一管1和第二管2可选用铝材制作，但材料的选择是为了获得较轻的质量和较好的导热性而做出的优选，并不作为本发明的限制性规定。
其中，第一管1设有第一出水口12，第二管2设有第二出水口22，第一进水口11、第一出水口12位于第一管1的两端且第一进水口11朝上设置、第一出水口12朝下设置，第二进水口21、第二出水口22位于第二管2的两端且第二进水口21靠近第一出水口12设置、第二出水口22靠近第一进水口11设置。本实施例中，第一进水口11、第一出水口12为管状结构，无缝焊接于第一管1的外壁，确保水流无渗透且密封；第二进水口21、第二出水口22为管状结构，分别以法兰的形式进行管道连接；第一进水口11朝上设置，与外部的热水管连接，用于通入热流体；第一出水口12朝下设置，与另一组换热套环的进口连接或与循环回路的进口连接，用于流出热流体；第一进水口11与第二出水口22位于同一端，第二进水口21与第一出水口12位于同一端，使得换热套管的局部区域得到耐温保护，可延长换热套管的使用寿命，提高换热套管的有效利用率。本实施例中管状结构的直径可根据应用场景需要进行调整，管状结构的长度可根据热量沿程损失要求进行设置；第一进水口11与第一旋流器33的端部之间留有一定距离，可设置为10cm，避免第一进水口11水流流进大空间至第一旋流器33遇阻而导致压力不稳定变化，影响流速变化，确保平稳流动；第一出水口12与第二旋流器44之间留有一定距离，可设置为20cm，确保流动得到充分换热，且可对第二管2入流部分进行充分的预热，确保流动换热性能的提高。
第一旋流组件3包括第一轴承31、第一挡圈32及开设有第一通孔的第一旋流器33，第一旋流器33套接于第二管2外，第一轴承31安装于第一旋流器33的两端，第一挡圈32安装于第二管2外壁且第一挡圈32分别位于第一旋流器33的两端。其中，第一旋流器33外周设有第一螺旋结构34，第一螺旋结构34与第一管1内壁之间形成有第一螺旋流道。本实施例中，第一旋流器33左右两端分别以嵌入密封的方式安装第一轴承31，第一轴承31的外径与第一通孔的内径匹配对应，第一轴承31的内径与第二管2的外壁匹配对应，如此，第一旋流器33通过第一轴承31安装在第二管2且具备自转动的功能；两组第一轴承31的侧部安装第一挡圈32，第一挡圈32紧固在第二管2外壁，防止第一旋流器33在轴向上运动；第一挡圈32固定用连接件不外露、位于第一轴承31的端面内，避免影响流体流动；第一螺旋结构34可为左旋方向，也可为右旋方向，根据应用需要进行选择和更换。需要说明的是，本实施例中第一螺旋结构34和第一螺旋流道的设置是为了获得较好的扰流效果而做出的优选，并不作为本发明的限制性规定；本实施例中第一旋流器33优先采用铝制材料制作以减轻换热套管质量，但并不作为本发明的限制性规定。
为了调整热流体流速、拓宽换热套管的应用范围，本实施例在第一螺旋流道两端设置用于调整热流体流速的第一调速滑盖5，第一调速滑盖5可拆卸地安装于第一轴承31与第一挡圈32之间。具体地：多条第一螺旋流道设有多个位于第一旋流器33一端面的第一入口以及多个位于第一旋流器33另一端面的第一出口，第一调速滑盖5设有第一连接部51以及连接于第一连接部51的第一滑动部52，第一滑动部52与第一入口、第一滑动部52与第一出口一一对应，转动第一调速滑盖5即可调整第一入口、第一出口的开口度，如图3、图4所示。应用时根据应用场合要求通过第一调速滑盖5调整第一螺旋流道进出口的开口大小以调整热流体流速。
另外，本实施例的第一调速滑盖5还可转动地安装于第一轴承31与第一挡圈32之间，且第一滑动部52设置为扇形斜孔。如此设置，当热流体流经扇形斜孔时，可推动第一调速滑盖5转动，稳定和平衡第一旋流器33自转的转速，从而实现自动调速的功能。
第二旋流组件4包括支撑杆41、第二轴承42、第二挡圈43及开设有第二通孔的第二旋流器44，支撑杆41的端部安装于第二管2的端部，第二旋流器44套于支撑杆41外，第二轴承42安装于第二旋流器44的两端，第二挡圈43安装于支撑杆41且第二挡圈43位于第二旋流器44的两端。其中，第二旋流器44外周设有第二螺旋结构45，第二螺旋结构45与第二管2内壁之间形成有第二螺旋流道。本实施例中：在第二进水口21处设置有法兰接口，支撑杆41的一端周向延伸设置有若干连接板46，若干连接板46与法兰接口固定连接，支撑杆41固定在第二管2内且支撑杆41与第二管2同轴设置；在连接板46上开设有条形孔47，以便于流体流动，减少流体流动阻力；条形孔47均位于连接板46的中心位置，确保降低流动阻力的同时作为一个稳流器，使得流动呈现充分发展状态，从而稳定压力以及流速的变化；条形孔47的形状为扁长椭圆形，确保流体平滑流经条形孔47，极大地降低压力的损失；第二旋流器44左右两端分别以嵌入密封的方式安装第二轴承42，第二轴承42的外径与第二通孔的内径匹配对应，第二轴承42的内径与支撑杆41的外壁匹配对应，如此，第二旋流器44通过第二轴承42安装在支撑杆41且具备自转动的功能；两组第二轴承42的侧部安装第二挡圈43，第二挡圈43紧固在支撑杆41外周，防止第二旋流器44在轴向上运动；第二挡圈43固定用连接件不外露、位于第二轴承42的端面内，避免影响流体流动；第二螺旋结构45可为左旋方向，也可为右旋方向，根据应用需要进行选择和更换。需要说明的是，本实施例中第二螺旋结构45和第二螺旋流道的设置是为了获得较好的扰流效果而做出的优选，并不作为本发明的限制性规定；本实施例中第二旋流器44优先采用铝制材料制作以减轻换热套管质量，但并不作为本发明的限制性规定。
为了实现热流体流速的调整、拓宽换热套管的应用范围，本实施例在第二螺旋流道两端设置用于调整冷流体流速的第二调速滑盖6，第二调速滑盖6安装于第二轴承42与第二挡圈43之间。具体地：多条第二螺旋流道设有多个位于第二旋流器44一端面的第二入口以及多个位于第二旋流器44另一端面的第二出口，第二调速滑盖6设有第二连接部61以及连接于第二连接部61的第二滑动部62，第二滑动部62与第二入口、第二滑动部62与第二出口一一对应，转动第二调速滑盖6即可调整第二入口、第二出口的开口度，如图3、图4所示。应用时根据应用场合要求通过第二调速滑盖6调整第二螺旋流道进出口的开口大小以调整热流体流速。
另外，本实施例的第二调速滑盖6还可转动地安装于第二轴承42与第二挡圈43之间，且第二滑动部62设置为扇形斜孔。如此设置，当热流体流经扇形斜孔时，可推动第二调速滑盖6转动，稳定和平衡第二旋流器44自转的转速，从而实现自动调速的功能。
第一旋流器33与第一管1内壁之间、第二旋流器44与第二管2内壁之间留有转动安全间隙。设置转动安全间隙是为了第一旋流器33在第一管1内、第二旋流器44在第二管2内安全地转动，保证第一旋流器33及第二旋流器44的工作稳定性，本实施例的转动安全间隙可设置为1cm，当然也可根据应用需要设置为其他间隙。
本实施例中，第一螺旋结构34、第二螺旋结构45的的螺旋角通过公式α＝arctan(H/nπd)计算获得，式中：H为导程，即动点旋转一周，其沿轴向上升的高度；n为实际导程所对应的圆周长与总导程所对应的全圆周长的比值；d为母线通过牙型上凸起和沟槽两者宽度相等的假想圆柱体直径。d通过公式：d＝D-0.6495P计算获得，式中：P为相邻牙在半径线上对应两点间的轴向距离，D为与外螺纹牙顶或内螺纹牙底相重合的假想圆柱体直径，0.6495为经验修正系数。
为验证本发明的积极效果，本实施例与无旋流器类型的换热套管以及不可转动类型的轴向叶片旋流换热套管(后文简称为无旋流器类型和不可转动类型)作为对比，对本实施例的换热套管进行模拟仿真试验：
考虑到第一螺旋结构34和第二螺旋结构45的可设计性，也为了能明显地获得高旋流强度，设定第一旋流器33、第二旋流器44的叶片角度为30°。考虑到管道内的流速以平稳且充分发展流动为佳，假设流动类型都为充分发展平稳流动，选取流动雷诺数(以下使用Re代表)分别为4000、5000、6000、7000以及8000的工况下进行试验。第一管1的第一进水口11和第二管2的第二进水口21处水温分别设定为323K和298K。设定采用压力基求解器，无旋流器类型以及不可转动类型采用稳态求解计算，可转动类型则采用非稳态求解计算。忽略重力的影响，设定壁面无滑移，不渗透情况。设定水的密度ρ水为998.2Kg/m3、水的比热容cp水为4182J/Kg·K、水的导热系数λ水为0.6w/m·K、水的运动粘度μ水为0.001003Kg/m·s；设定铝材的密度ρ铝为2179Kg/m3、铝的比热容cp铝为871J/Kg·K、铝的导热系数λ铝为202.4w/m·K。无旋流器类型以及不可转动类型采用SIMPLE求解算法，可转动类型则采用PISO求解算法。梯度项采用基于节点的方案，压力项采用PISO方案，动量项采用QUICK方案，其余参数项均采用二阶方案。采用ANSYS Fluent16.0对套管内流动以及换热状况进行数值求解，应用雷诺时均法建立方程(1)～(3)对湍流的三维流动进行求解采用RNG控制方程(4)、(5)，尺度化壁面函数限制壁面下限值为11.06。
质量方程：
Figure BDA0002532426350000091
动量方程：
Figure BDA0002532426350000092
能量方程：
Figure BDA0002532426350000101
k方程：
Figure BDA0002532426350000102
其中：
Figure BDA0002532426350000103
ε方程：
Figure BDA0002532426350000104
其中：
Figure BDA0002532426350000105
上述式子中，
Figure BDA0002532426350000108
表示雷诺平均速度分量；ρ表示密度；p表示压强；u'i表示脉动速度；
Figure BDA0002532426350000107
表示质量力；t表示时间；αk和αε分别表示湍动能和耗散率有效湍流普朗特数的倒数；μt表示湍动粘度；β表示热膨胀系数；gi表示加速度；Prt表示普朗特数；T表示温度；C1ε、C2ε、C3ε均为模型常数；Sij表示平均应变率。通过Fluent帮助文件可知：αk＝αε≈1.393，Cμ＝0.0845，Prt＝0.7179，C1ε＝1.42，C2ε＝1.68，C3ε＝1.3，β＝0.012，η0＝4.3；
总压降ΔP(单位:Pa)试验结果如下表所示：
Figure BDA0002532426350000111
不可转动类型的网格划分以去除第一旋流器33、第二旋流器44固体，保留流动路径为流体域，第二管2换热固体部分作为固体域的方案，划分混合网格。可转动类型的网格划分则保留固体部分并划分为固体域，流动路径作为流体域的方案，划分混合网格。可转动类型的动网格设置，采用Smoothing和Remeshing的方案，采用6DOF模型，编程定义运动区域以及壁面的重心位置、质量以及转动惯量，只开放轴向旋转自由度，约束其余的五个运动自由度。
根据以上总压降试验结果以及图6～图8的温度云图、图9～图11的压力云图、图5的热通量q(单位:W/m2)试验结果可知：
相对于不可转动类型，可转动类型的压降随着Re明显降低，主要原因在于旋流器具备可自转动功能，使得原本占据的流道随着流体的流动而变化，导致流道体积变化呈现灵活性，可使部分压损得到合理的转化。同时，可转动类型的换热面热通量随着Re的增大而显著上升，最大变化在Re为8000处，比不可转动类型增大了600W/m2，比无旋流器类型增大了852W/m2。不可转动类型与无旋流类型相比，递增规律不变，其热通量变化仅比无旋流类型增大了200W/m2左右。可见，不可转动类型带来的换热效果比较微弱(由于流速较快，工作流体与换热面所接触的时间比较短，导致对流换热区间的换热变化比较小)。在Re小于6000的范围下，且随着Re的增大，可转动类型的转速也随之增大，但还不足以达到良好的扰动换热效果，主要原因在于要消耗部分功率来提供旋流器最低的起步转动条件。而Re大于6000的范围上，虽然可转动类型的旋流强度会稍微下降，但却带来了显著的换热效果，主要原因在于充分的扰动以及增大了工作流体与换热面的换热接触时间，从而大大地提升了管内对流换热效果以及合理转化了压力损失，提高了能源的最大有效利用率。综合上述换热管压降转化以及换热效果来看，可转动类型在综合换热性能上优于不可转动类型。
从图6～图8的温度云图分析可知，可转动类型的温度沿程分布较其他两种的均匀，具备适当旋流强度的旋流换热有助于促进管内流动的传热传质，而且对于第一管1进口相对于第二管2外壁的部位，该局部区域得到耐温保护，有利于延长换热套管的使用寿命。从图9～图11的压力云图分析可知，相比于无旋流类型的，虽然其他两种类型的压降分布比较大，但综合换热效果来说，可转动类型所付出的压力损失得到了合理的转化，充分扰动管内流动以及增大工作流体与换热面的换热接触时间，最终得到了较高的综合换热性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，包括第一管(1)和第二管(2)，所述第二管(2)同轴穿设于第一管(1)内部，所述第一管(1)设有用于流入热流体的第一进水口(11)，所述第二管(2)设有用于流入冷流体的第二进水口(21)，所述热流体与冷流体的流动方向相反；所述第一进水口(11)处设有第一旋流组件(3)，所述第一旋流组件(3)转动套接于第二管(2)外壁且第一旋流组件(3)位于第一管(1)和第二管(2)之间；所述第二进水口(21)处设有第二旋流组件(4)，所述第二旋流组件(4)可转动地设于第二管(2)内部。
2.根据权利要求1所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第一管(1)为中部呈圆筒形、两端呈半球形的对称管状结构，所述第二管(2)为圆筒形管状结构，所述第二管(2)同轴穿接于第一管(1)内部且所述第一管(1)、第二管(2)的交接处密封连接。
3.根据权利要求2所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第一管(1)设有第一出水口(12)，所述第二管(2)设有第二出水口(22)，所述第一进水口(11)、第一出水口(12)位于第一管(1)的两端且所述第一进水口(11)朝上设置、第一出水口(12)朝下设置，所述第二进水口(21)、第二出水口(22)位于第二管(2)的两端且所述第二进水口(21)靠近第一出水口(12)设置、第二出水口(22)靠近第一进水口(11)设置。
4.根据权利要求1所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第一旋流组件(3)包括第一轴承(31)、第一挡圈(32)及开设有第一通孔的第一旋流器(33)，所述第一旋流器(33)套接于第二管(2)外，所述第一轴承(31)安装于第一旋流器(33)的两端，所述第一挡圈(32)安装于第二管(2)外壁且第一挡圈(32)分别位于第一旋流器(33)的两端。
5.根据权利要求4所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第一旋流器(33)外周设有第一螺旋结构(34)，所述第一螺旋结构(34)与第一管(1)内壁之间形成有第一螺旋流道。
6.根据权利要求5所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第一螺旋流道两端设有用于调整热流体流速的第一调速滑盖(5)，所述第一调速滑盖(5)可转动地安装于第一轴承(31)与第一挡圈(32)之间，所述第一调速滑盖(5)设有与第一螺旋流道对应的第一扇形斜孔。
7.根据权利要求4至6所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第二旋流组件(4)包括支撑杆(41)、第二轴承(42)、第二挡圈(43)及开设有第二通孔的第二旋流器(44)，所述支撑杆(41)的端部安装于第二管(2)的端部，所述第二旋流器(44)套于支撑杆(41)外，所述第二轴承(42)安装于第二旋流器(44)的两端，所述第二挡圈(43)安装于支撑杆(41)且第二挡圈(43)位于第二旋流器(44)的两端。
8.根据权利要求7所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第二旋流器(44)外周设有第二螺旋结构(45)，所述第二螺旋结构(45)与第二管(2)内壁之间形成有第二螺旋流道。
9.根据权利要求8所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第二螺旋流道两端设有用于调整冷流体流速的第二调速滑盖(6)，所述第二调速滑盖(6)可转动地安装于第二轴承(42)与第二挡圈(43)之间，所述第二调速滑盖(6)设有与第二螺旋流道对应的第二扇形斜孔。
10.根据权利要求7所述的轴向叶片逆向旋流换热套管，其特征在于，所述第一旋流器(33)与第一管(1)内壁之间、所述第二旋流器(44)与第二管(2)内壁之间留有转动安全间隙。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112857127A (zh) * 2021-01-18 2021-05-28 中国神华煤制油化工有限公司 自清洗封头盖及换热设备
CN112944960A (zh) * 2021-03-09 2021-06-11 格力电器（武汉）有限公司 旋流扰动装置及换热管结构
CN112944959A (zh) * 2021-03-09 2021-06-11 格力电器（武汉）有限公司 旋流扰动装置及换热管结构
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WO2023284388A1 (zh) * 2021-07-13 2023-01-19 张宏森 涡流热交换装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112857127A (zh) * 2021-01-18 2021-05-28 中国神华煤制油化工有限公司 自清洗封头盖及换热设备
CN112944960A (zh) * 2021-03-09 2021-06-11 格力电器（武汉）有限公司 旋流扰动装置及换热管结构
CN112944959A (zh) * 2021-03-09 2021-06-11 格力电器（武汉）有限公司 旋流扰动装置及换热管结构
CN112944959B (zh) * 2021-03-09 2022-05-24 格力电器（武汉）有限公司 旋流扰动装置及换热管结构
EP4119880A1 (en) * 2021-07-13 2023-01-18 Hung-Sen Chang Eddy fluid heat exchange device
WO2023284388A1 (zh) * 2021-07-13 2023-01-19 张宏森 涡流热交换装置
US11698227B2 (en) 2021-07-13 2023-07-11 Hung-Sen Chang Eddy fluid heat exchange device

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