CN112857123A - 减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管 - Google Patents

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CN112857123A CN202110098454.7A CN202110098454A CN112857123A CN 112857123 A CN112857123 A CN 112857123A CN 202110098454 A CN202110098454 A CN 202110098454A CN 112857123 A CN112857123 A CN 112857123A
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吴成强
李伯奎
李春朋
王玲
许兆美
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    • F28F1/08—Tubular elements crimped or corrugated in longitudinal section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/26—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators
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Abstract

本发明公开了一种减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，包括外正弦波纹管、内正弦波纹管和通孔套管，外、内正弦波纹管两端固定有短距光管，外正弦波纹管两端短距光管的内壁、内正弦波纹管两端短距光管的外壁上设置有凹口，通孔套管包括内管、外管，内、外管之间通过筋板固定连接，内管过渡配合卡在内正弦波纹管两端短距光管的外壁凹口处，外管通过过渡配合卡在外正弦波纹管两端短距光管内壁的凹口处，内正弦波纹管上设有将内正弦波纹管内外两侧连通的通孔。结构简单，换热效率高，内层换热管可以抽出清洗，以及表面不易结垢。

Description

减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管
技术领域
本发明涉及换热管，具体涉及减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管。
背景技术
在20世纪90年代末研究出波纹管代替光滑管，在波纹管内流体速度较低的情况下达到湍流，破坏壁面边界层，同时与热流体的接触面积增大，进而单层波纹管换热效率较光滑管提高35％。同时单层波纹管受自身尺寸的原因，换热效率受到限制，流体中心层仍出现层流的情况，流体流速较快，热交换效果不充分。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，该管结构简单，换热效率高，内层换热管可以抽出清洗，以及表面不易结垢。
本发明公开的技术方案如下：减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，其特征在于，包括外正弦波纹管、内正弦波纹管和通孔套管，外、内正弦波纹管两端固定有短距光管，外正弦波纹管两端短距光管的内壁、内正弦波纹管两端短距光管的外壁上设置有凹口，通孔套管包括内管、外管，内、外管之间通过筋板固定连接，内管过渡配合卡在内正弦波纹管两端短距光管的外壁凹口处，外管通过过渡配合卡在外正弦波纹管两端短距光管内壁的凹口处，内正弦波纹管上设有将内正弦波纹管内外两侧连通的通孔。
在上述方案的基础上，作为优选，外、内正弦波纹管为波高A为3mm，波长S为10mm的正弦型波纹管，内、外正弦波纹管壁厚为1mm。
在上述方案的基础上，作为优选，外正弦波纹管材质为钢，内正弦波纹管和通孔套管材质为铝。
在上述方案的基础上，作为优选，通孔为矩形通孔，矩形通孔四组，且在内正弦波纹管周向上均匀分布，每组矩形通孔有若干个且在内正弦波纹管的轴向上均匀分布。
正弦型双层波纹管装配步骤：将内正弦波纹管插入外正弦波纹管内，同时两个通孔套管与内外正弦波纹管两侧端部进行组装，内外正弦波纹管内外直径处有阶梯台，为了便于通孔套管定位与固定。由于铝有较好的延展性，通孔套管与内外正弦波纹管采用过渡配合，选用JS/js配合公差。
正弦型双层波纹管的模拟分析方法：
(1)利用Soildworks软件里的sin(t)函数绘制出波纹管，将绘制出的波纹管三维软件导入到Fluent软件里，对正弦型双层波纹管的进出口封闭，利用Fill功能对正弦型双层波纹管进行填充，填充出所需要的流体；
(2)对正弦型双层波纹管进行网格划分，设置元素尺寸为1mm，管壁面膨胀期权为平滑过渡，过渡比为0.272，最大层数为5，增长率为1.2，划分结果后网格平均质量为0.53，符合网格质量0～1的指标。其次设置正弦型双层波纹管的边界层，对进出口和管壁面边界层层进行命名；
(3)求解过程：
(1)打来Fluent中的Setup插件，在General中检查网格是否出错，同时尺寸比例修改至mm；
(2)在Models中打开Energy模型和设置湍流模型为标准的k－epsilon模型；
(3)双层波纹管材质为钢介质密度ρ为8030kg/m3，管内介质为水，介质密度ρ为998.2kg/m3，动力粘度μ为0.1kg/(m.s)；
(4)对单双层波纹管设置边界条件，对入口处设置流速分别为1m/s，1.2m/s，1.5m/s，1.8m/s，2m/s，2.2m/s,入口处温度为300T，出口处温度设置为330T，管壁温度为400T，其中进出口的湍流强度为5％，水力直径为38mm；
(5)采用耦合方案，打开伪瞬态、翘曲面梯度矫正、高阶项弛豫；
(6)对流场设置初始化，设置2000的迭代步，迭代达到稳定后，完成求解计算；
(7)通过CFD-post模块，通过求解结果的云图、流线图和函数图像的形式得出双层波纹管管内流体湍流时流场变化，结构参数对传热性能的影响。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)图4所示(a)为单层波纹管流场(b)为双层波纹管流场，在单层波纹管内插入开有方形孔的波纹管，平均流速因此会降低，流体流速较慢，热交换效果充分。最高流速提高10.5％，从而可以预测在低流速的情况下能够达到湍流，减薄了管壁边界层，有助于降低管壁污垢以及间接强化传热。
(2)如图5是1m/s下单双层波纹管表面传热系数，双层波纹管的最高表面传热系数比单层波纹管高2.5倍。进而通过Orign软件整理得出1m/s到2.2m/s情况下如图6所示，通过对正弦型单双层波纹管有效导热系数与表面传热系数比较可得，在Re＝8345时，双层波纹管有效换热系数较单层波纹管提升1.5％。在3793＜＜Re＜＜7586下，双层波纹管表面传热系数较单层波纹管提升1.6到2.7倍。因此装有内插件的双层波纹管的换热效果大大的增强。
(3)如图7所示，通过对双层波纹管传热的综合性能评价可知，根据PEC＝Nu/Nu0/(f/f0)1/3公式，不同的Re下，PEC随着Re先增大后减小再增大，同时PEC>1，双层波纹管强化传热效果良好。在Re＝4552时，双层波纹管的综合换热性能评价最优，PEC达到1.9。
(4)该内插件正弦型双层波纹管结构简单，易于加工制造，同时内正弦波纹管导致管内流体形成湍流，其四周开有诺干个矩形孔导致流体形成二次流，进而破坏边界层，换热效率明显增强。湍流不断冲刷管壁，水垢很难形成。同时内正弦波纹管能抽出方便清洗污垢。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是通孔套管的结构示意图；
图4单(a)、双(b)层波纹管流场分布；
图5是1m/s下单(a)、双(b)层波纹管表面传热系数；
图6是单(a)、双(b)层波纹管Re与λ、k的线性；
图7是双层波纹管综合性能评价。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
如图1-7所示，减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，包括外正弦波纹管1、内正弦波纹管2和通孔套管3，外、内正弦波纹管两端固定有短距光管5，便于与管板胀接与焊接，外正弦波纹管两端短距光管的内壁、内正弦波纹管两端短距光管的外壁上设置有凹口，通孔套管包括内管31、外管32，内、外管之间通过筋板33固定连接，筋板有四个，起支撑固定作用，内管过渡配合卡在内正弦波纹管两端短距光管的外壁凹口处，外管通过过渡配合卡在外正弦波纹管两端短距光管内壁的凹口处，内正弦波纹管上设有将内正弦波纹管内外两侧连通的通孔，通孔4优选开设在波谷处。
外、内正弦波纹管为波高A为3mm，波长S为10mm的正弦型波纹管，内、外正弦波纹管壁厚为1mm。
外正弦波纹管材质为钢，内正弦波纹管和通孔套管材质为铝。
通孔为矩形通孔，矩形通孔四组，且在内正弦波纹管周向上均匀分布，每组矩形通孔有若干个且在内正弦波纹管的轴向上均匀分布。
正弦型双层波纹管装配步骤：将内正弦波纹管插入外正弦波纹管内，同时两个通孔套管与内外正弦波纹管两侧端部进行组装，内外正弦波纹管内外直径处有阶梯台，为了便于通孔套管定位与固定。由于铝有较好的延展性，通孔套管与内外正弦波纹管采用过渡配合，选用JS/js配合公差。
正弦型双层波纹管的模拟分析方法：
(1)利用Soildworks软件里的sin(t)函数绘制出波纹管，将绘制出的波纹管三维软件导入到Fluent软件里，对正弦型双层波纹管的进出口封闭，利用Fill功能对正弦型双层波纹管进行填充，填充出所需要的流体；
(2)对正弦型双层波纹管进行网格划分，设置元素尺寸为1mm，管壁面膨胀期权为平滑过渡，过渡比为0.272，最大层数为5，增长率为1.2，划分结果后网格平均质量为0.53，符合网格质量0～1的指标。其次设置正弦型双层波纹管的边界层，对进出口和管壁面边界层层进行命名；
(3)求解过程：
(1)打来Fluent中的Setup插件，在General中检查网格是否出错，同时尺寸比例修改至mm；
(2)在Models中打开Energy模型和设置湍流模型为标准的k－epsilon模型；
(3)双层波纹管材质为钢介质密度ρ为8030kg/m3，管内介质为水，介质密度ρ为998.2kg/m3，动力粘度μ为0.1kg/(m.s)；
(4)对单双层波纹管设置边界条件，对入口处设置流速分别为1m/s，1.2m/s，1.5m/s，1.8m/s，2m/s，2.2m/s,入口处温度为300T，出口处温度设置为330T，管壁温度为400T，其中进出口的湍流强度为5％，水力直径为38mm；
(5)采用耦合方案，打开伪瞬态、翘曲面梯度矫正、高阶项弛豫；
(6)对流场设置初始化，设置2000的迭代步，迭代达到稳定后，完成求解计算；
(7)通过CFD-post模块，通过求解结果的云图、流线图和函数图像的形式得出双层波纹管管内流体湍流时流场变化，结构参数对传热性能的影响。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，其特征在于，包括外正弦波纹管、内正弦波纹管和通孔套管，外、内正弦波纹管两端固定有短距光管，外正弦波纹管两端短距光管的内壁、内正弦波纹管两端短距光管的外壁上设置有凹口，通孔套管包括内管、外管，内、外管之间通过筋板固定连接，内管过渡配合卡在内正弦波纹管两端短距光管的外壁凹口处，外管通过过渡配合卡在外正弦波纹管两端短距光管内壁的凹口处，内正弦波纹管上设有将内正弦波纹管内外两侧连通的通孔。
2.如权利要求1所述的减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，其特征在于，外、内正弦波纹管为波高A为3mm，波长S为10mm的正弦型波纹管，内、外正弦波纹管壁厚为1mm。
3.如权利要求2所述的减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，其特征在于，外正弦波纹管材质为钢，内正弦波纹管和通孔套管材质为铝。
4.如权利要求1所述的减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，其特征在于，通孔为矩形通孔，矩形通孔四组，且在内正弦波纹管周向上均匀分布，每组矩形通孔有若干个且在内正弦波纹管的轴向上均匀分布。
5.如权利要求1所述的减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，其特征在于，正弦型双层波纹管装配步骤：将内正弦波纹管插入外正弦波纹管内，同时两个通孔套管与内外正弦波纹管两侧端部进行组装，内外正弦波纹管内外直径处有阶梯台，为了便于通孔套管定位与固定。由于铝有较好的延展性，通孔套管与内外正弦波纹管采用过渡配合，选用JS/js配合公差。
6.如权利要求1所述的减顶增压器水冷器正弦型双层波纹管，其特征在于，正弦型双层波纹管的模拟分析方法：
(1)利用Soildworks软件里的sin(t)函数绘制出波纹管，将绘制出的波纹管三维软件导入到Fluent软件里，对正弦型双层波纹管的进出口封闭，利用Fill功能对正弦型双层波纹管进行填充，填充出所需要的流体；
(2)对正弦型双层波纹管进行网格划分，设置元素尺寸为1mm，管壁面膨胀期权为平滑过渡，过渡比为0.272，最大层数为5，增长率为1.2，划分结果后网格平均质量为0.53，符合网格质量0～1的指标。其次设置正弦型双层波纹管的边界层，对进出口和管壁面边界层层进行命名；
(3)求解过程：
(1)打来Fluent中的Setup插件，在General中检查网格是否出错，同时尺寸比例修改至mm；
(2)在Models中打开Energy模型和设置湍流模型为标准的k－epsilon模型；
(3)双层波纹管材质为钢介质密度ρ为8030kg/m3，管内介质为水，介质密度ρ为998.2kg/m3，动力粘度μ为0.1kg/(m.s)；
(4)对单双层波纹管设置边界条件，对入口处设置流速分别为1m/s，1.2m/s，1.5m/s，1.8m/s，2m/s，2.2m/s,入口处温度为300T，出口处温度设置为330T，管壁温度为400T，其中进出口的湍流强度为5％，水力直径为38mm；
(5)采用耦合方案，打开伪瞬态、翘曲面梯度矫正、高阶项弛豫；
(6)对流场设置初始化，设置2000的迭代步，迭代达到稳定后，完成求解计算；
(7)通过CFD-post模块，通过求解结果的云图、流线图和函数图像的形式得出双层波纹管管内流体湍流时流场变化，结构参数对传热性能的影响。
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