CN112948970A - 一种基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，该结构是在传统的螺旋蒸发管内添加球凸肋片，之后主要针对球凸肋片的结构参数进行对比研究，其中包括球凸肋圆心角(扇形圆心角)

直径d_r，倒圆直径(圆形横截面与扇形连接线)d_a，肋个数n。通过对流动换热特性的分析讨论，基于综合评价因子p，确定了该新型球凸肋螺旋蒸发管的结构参数，分别为

d_r＝0.8mm，d_a＝0.12mm，n＝4；同时，发现该结构的换热系数明显提高，达到了50.1％，综合评价因子高达1.26。

Description

一种基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法

技术领域

本发明涉及强化换热领域，更具体的说，是涉及一种带有球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法

背景技术

水下航行器在海洋开发、海洋勘测和海洋战略等方面扮演非常重要的角色。在争端日益激烈的当今社会，越来越受到各个国家的重视。水下航行器的航程、航速和航深等主要性能指标取决于高性能的动力装置。热动力系统以其可靠稳定的性能，成为水下航行器最主要的动力形式。

热动力系统主要工作原理是：锅炉内部燃料燃烧释放出大量的热，低温低压的液态工质水通过流经盘绕锅炉表面的蒸发器管道，从而吸收热量相变成为过热水蒸气，之后，经过喷嘴，形成高温高压水蒸气推动涡轮机做功，为航行器提供运行动力。考虑到水下航行器的特殊运行环境，它的外形设计和空间尺寸会受到严格的限制，并且为了提高机动性和隐蔽性，小型化成为了水下航行器未来发展趋势之一。因此，如何能达到目标蒸汽状态且占用的空间最小化是一个值得探索的问题，这就涉及到沸腾传热特性研究及沸腾强化传热技术研究。

流动沸腾过程中较为常见的强化传热技术主要采用的是增加传热面积或者增强沿程气液相的混合能力的原理，最普通的形式包括：翅片，肋片和扭转内插物三种形式，这些方式均以增大压降损耗为代价提高换热能力。因此，如何在牺牲最少泵功的前提下尽量提高换热能力，即设计整体性能高的新型蒸发管，成为了水下航行器小型化的研究重点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中所提到的问题，公开了一种基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，该结构是在传统的螺旋蒸发管内添加球凸肋片，之后主要针对球凸肋片的结构参数进行对比研究，其中包括球凸肋圆心角(扇形圆心角)

直径d_r，倒圆直径(圆形横截面与扇形连接线)d_a，肋个数n。通过对流动换热特性的分析讨论，基于综合评价因子p，确定了该新型球凸肋螺旋蒸发管的结构参数，分别为

d_r＝0.8mm，d_a＝0.12mm，n＝4；同时，发现该结构的换热系数明显提高，达到了50.1％，综合评价因子高达1.26。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，具体实施包括步骤：

步骤1：在传统螺旋蒸发管的内部添加球凸形状的肋片，对肋片结构参数进行优化；

步骤2：对新型球凸肋片的螺旋蒸发管内的过冷沸腾过程进行流动换热特性研究；

步骤3：基于综合评价因子p，筛选出针对当前螺旋蒸发管最优的球凸肋结构参数；

步骤4：对步骤3得到的结构，进行整体评价。

进一步地，所述步骤1中，传统螺旋蒸发管结构参数为：螺旋管内径d＝1mm，螺旋管曲率直径d_c＝90mm，螺旋管升角θ＝4°；球凸肋片通过扇形截面截取圆形横截面形成的，其结构参数包括：球凸肋圆心角(扇形圆心角)

直径d_r，倒圆直径(圆形横截面与扇形连接线)d_a，肋个数n。

进一步地，所述步骤2中，流动换热特性包括换热系数和流动阻力。

进一步地，所述步骤3中，综合评价因子如下式所示：

此处，i指第i个试验工况，b指参照工况，令参照工况下球凸肋片的参数为：球凸肋圆心角

直径d_r＝0.66mm，连接倒圆直径d_a＝0.16mm，肋个数n＝4。Nu为努塞尔数，计算公式如下：

式中，D_h为水利直径，计算形式分别如下，k是流体平均温度下的导热系数，h为整体换热系数，计算公式如下：

此处，q为施加在壁面上的热流密度，T_w为加热面上的平均温度，T_f为整个流域的平均温度；

此处，A为横截面面积，L为湿周；

此处，Δp为通道入口和出口之间的压差；ρ为整个流体域平均温度下的密度；u为入口的平均速度；l为加热长度。

进一步地，所述步骤4中，结构参数为：

d_r＝0.8mm，d_a＝0.12mm，n＝4时，综合性能最好，换热系数增高了50.1％，综合评价因子高达1.26。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：公开了一种基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，该结构是在传统的螺旋蒸发管内添加球凸肋片，之后主要针对球凸肋片的结构参数进行对比研究，其中包括球凸肋圆心角(扇形圆心角)

直径d_r，倒圆直径(圆形横截面与扇形连接线)d_a，肋个数n。通过对流动换热特性的分析讨论，基于综合评价因子p，确定了该新型球凸肋螺旋蒸发管的结构参数，分别为

d_r＝0.8mm，d_a＝0.12mm，n＝4；同时，发现该结构的换热系数明显提高，达到了50.1％，综合评价因子高达1.26，为工程上设计更紧凑，更高效、低能耗的蒸发管提供一定的理论技术支撑。

附图说明

为更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，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。

图1为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面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、完整的描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1，一种基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，具体步骤如下：

步骤1：在传统螺旋蒸发管的内部添加球凸形状的肋片，对肋片结构参数进行优化；

步骤2：对新型球凸肋片的螺旋蒸发管内的过冷沸腾过程进行流动换热特性研究；

步骤3：基于综合评价因子p，筛选出针对当前螺旋蒸发管最优的球凸肋结构参数；

步骤4：对步骤3得到的结构，进行整体评价。

在步骤1中，传统螺旋蒸发管结构参数为：螺旋管内径d＝1mm，螺旋管曲率直径d_c＝90mm，螺旋管升角θ＝4°；球凸肋片通过扇形截面截取圆形横截面形成的，其结构参数包括：球凸肋圆心角(扇形圆心角)

直径d_r，倒圆直径(圆形横截面与扇形连接线)d_a，肋个数n。

在步骤2中，流动换热特性包括换热系数和流动阻力。

在步骤3中，综合评价因子如下式所示：

此处，i指第i个试验工况，b指参照工况，令参照工况下球凸肋片的参数为：球凸肋圆心角

直径d_r＝0.66mm，连接倒圆直径d_a＝0.16mm，肋个数n＝4。Nu为努塞尔数，计算公式如下：

式中，D_h为水利直径，计算形式分别如下，k是流体平均温度下的导热系数，h为整体换热系数，计算公式如下：

此处，q为施加在壁面上的热流密度，T_w为加热面上的平均温度，T_f为整个流域的平均温度；

此处，A为横截面面积，L为湿周；

此处，Δp为通道入口和出口之间的压差；ρ为整个流体域平均温度下的密度；u为入口的平均速度；l为加热长度。

在步骤4中，结构参数为：

d_r＝0.8mm，d_a＝0.12mm，n＝4时，综合性能最好，换热系数增高了50.1％，综合评价因子高达1.26。

Claims (5)

1.一种基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，其特征在于，包括：

步骤1：在传统螺旋蒸发管的内部添加球凸形状的肋片，对肋片结构参数进行优化；

步骤2：对新型球凸肋片的螺旋蒸发管内的过冷沸腾过程进行流动换热特性研究；

步骤3：基于综合评价因子p，筛选出针对当前螺旋蒸发管最优的球凸肋结构参数；

步骤4：对步骤3得到的结构，进行整体评价。

2.根据权利要求1所述的基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，其特征在于，所述步骤1中，传统螺旋蒸发管结构参数为：螺旋管内径d＝1mm，螺旋管曲率直径d_c＝90mm，螺旋管升角θ＝4°；球凸肋片通过扇形截面截取圆形横截面形成的，其结构参数包括：球凸肋圆心角(扇形圆心角)

直径d_r，倒圆直径(圆形横截面与扇形连接线)d_a，肋个数n。

3.根据权利要求1所述的基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，其特征在于，所述步骤2中，流动换热特性包括换热系数和流动阻力。

4.根据权利要求1所述的基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，其特征在于，所述步骤3中，综合评价因子如下式所示：

此处，i指第i个试验工况，b指参照工况，令参照工况下球凸肋片的参数为：球凸肋圆心角

直径d_r＝0.66mm，连接倒圆直径d_a＝0.16mm，肋个数n＝4。Nu为努塞尔数，计算公式如下：

式中，D_h为水利直径，计算形式分别如下，k是流体平均温度下的导热系数，h为整体换热系数，计算公式如下：

此处，q为施加在壁面上的热流密度，T_w为加热面上的平均温度，T_f为整个流域的平均温度；

此处，A为横截面面积，L为湿周；

此处，Δp为通道入口和出口之间的压差；ρ为整个流体域平均温度下的密度；u为入口的平均速度；l为加热长度。

5.根据权利要求1所述的基于球凸肋片的螺旋蒸发管结构设计方法，其特征在于，所述步骤4中，结构参数为：

d_r＝0.8mm，d_a＝0.12mm，n＝4时，综合性能最好，换热系数增高了50.1％，综合评价因子高达1.26。

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