CN114199068B - 一种带气流分区的连续型h型翅片管 - Google Patents

Abstract

本发明为一种带气流分区的连续型H型翅片管，包括基管、翅片簇，所述翅片簇内侧面设内凹，内凹与基管外表面连接，翅片簇沿基管长度方向在基管两侧对称布置，单侧翅片簇横截面为连续蛇形曲折形状，翅片簇外侧面连接有侧板，侧板的长度、高度与翅片簇的长度与高度相同，两侧翅片簇之间的上下空档位置布置气流分区槽，气流分区槽两侧分别与两边的翅片簇内侧面连接，气流分区槽内壁与基管表面构成空心结构；单侧翅片簇分为连续连接的弯曲段和平面段，有两种气流通道。本发明减少管外气流流动方向变化和减小流动速度变化幅度，降低了低效的气体流动阻力损失，不容易造成杂质结垢粘附，节约了管外气流对流传热的能源消耗。

Description

一种带气流分区的连续型H型翅片管

技术领域

本发明涉及换热技术领域、能源节约技术领域。尤其是涉及一种适用管外气流换热的具有降阻减耗节能技术的H型翅片管。具体适用于能源、石化、冶金等行业的空冷式热交换器、以及回收烟气余热的省煤器等换热器产品。

背景技术

能源是国民经济和社会发展的基础和动力。经济与社会快速发展使得能源资源约束日益加剧，生态环境问题突出，调整结构、提高能效和保障能源安全的压力进一步加大，能源发展面临一系列新问题新挑战。我国能源战略坚持“节约、清洁、安全” 的发展方针。

充分回收利用各种过程热量并节约换热能耗是工业节能的主要阵地，技术节能和设备节能是主要途径。换热器是回收热能的主要设备，换热器产品和传热元件的技术创新与应用创新层出不穷、日新月异，高效利用余热、深度回收利用过程低温余热并降低动力消耗是工业节能技术创新发展的主要技术领域。烟气余热回收与利用以及空气冷却器是换热器节能提升、节能降耗的热点开发方向。

烟气余热回收与利用以及空气冷却场合存在共性技术特征，由于气体比热容小，提高气体侧换热能力成为业界技术研究和产品研发的关注焦点。强化气体侧换热的有效方式是将气体布置在管外，然后在管外采用各种形式的强化传热结构和技术措施。翅片管是最有效的结构解决方案，由此业界开发了各种形式的翅片管。

电力行业的省煤器多采用螺旋翅片管，为了减少管外积灰结垢，提高传热稳定性，创新发展了H型翅片，H型翅片是在方形鳍片管的基础上发展而来，因其截面形状与H字母相似而得名，故称为H型翅片管，其在锅炉省煤器场合获得广泛应用。

现有H型翅片管在减少积灰磨损具有一定优势，但是，现有H型翅片管在节约气流动力消耗方面存在较大的改进空间。管外气体流过一根H型翅片管的管外空间时，管外迎风侧靠近管壁时气体流动方向剧烈变化，管外背风侧气流分离回流；H型翅片管的迎风面、出风面的气体流通面积与基管横截面处相比差异大。气体流过管外迎风面宽度范围时，流速变化幅度大，流体转向剧烈，流阻损失大，因此需要创新管外结构进而改变管外流动及其变化幅度，以降低管外流动阻力损失。

流程工业中大量使用的空冷器多采用绕片、套片翅片管。为了改善管外流动，降低气流阻力损失，创新发展了椭圆翅片管、单排管翅片管。

椭圆翅片管改善了管外流动性能，但是承压能力差，制造难度大，制约了其工业推广使用，单排管翅片管的管外流动性能好，但承压能力更低，因而只适用于微压场合，例如乏汽凝汽器。

开发耐压性能好并显著降低管外流动阻力损失，工艺性能稳定，且易于制造的翅片管是换热器行业、工业节能领域的创新热点。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的问题和不足，提供一种有气流分区槽的H型翅片管，明显地提高H型翅片管的流动和传热性能。

本发明技术方案：一种带气流分区的连续型H型翅片管，包括基管、翅片簇，所述翅片簇内侧面设内凹，内凹与基管外表面连接，翅片簇沿基管长度方向在基管两侧对称布置，单侧翅片簇横截面为连续蛇形曲折形状，翅片簇外侧面连接有侧板，侧板的长度、高度与翅片簇的长度与高度相同，两侧翅片簇之间的上下空档位置布置气流分区槽，气流分区槽两侧分别与两边的翅片簇内侧面连接，气流分区槽内壁与基管表面构成空心结构；单侧翅片簇分为连续连接的弯曲段和平面段，平面段与平面段之间表面相互平行；有两种构成的气流通道，分别是弯曲段、平面段、内凹所在基管外表面构成气流通道，弯曲段、平面段、内凹所在基管外表面、侧板内侧面构成气流通道。

所述平面段表面沿气流方向布置有波纹状凹凸。

优选的，波纹状凹凸波纹展开系数为1.02～1.2，节距3～5mm；波纹形状有沿气流方向的横波纹或纵波纹。波纹展开系数亦即波纹节距的表面距离与节距投影长度的比值、节距亦即一个波纹特征点到下一个相同波纹特征点的投影距离。

优选的，气流分区槽为槽钢形截面形状，或为U形截面轮廓形状，其配合方式有迎风侧、出风侧均为槽钢形截面形状，迎风侧、出风侧均为U形截面轮廓形状，迎风侧U形截面轮廓形状、出风侧为槽钢形截面形状。

进一步的，所述气流分区槽设有伸缩节，伸缩节为气流分区槽槽壁内凹陷，伸缩节延续方向为沿基管径向，槽钢形截面形状的气流分区槽顶面上设有沿基管长度方向的补偿槽。

优选的，伸缩节、补偿槽截面为半圆形或U形或V形。

优选的，单侧翅片簇为整块矩形板弯折制成，翅片簇与基管之间、翅片簇与侧板之间、翅片簇与气流分区槽之间连接方式为钎焊。

优选的，对称布置的翅片簇间的间距小于基管外直径，其范围为基管外直径的0.3～1倍。

优选的，平面段与平面段间距范围为1.5～6mm；H形翅片管的翅化率为6～23。翅化率指与流体接触的翅片表面积与对应基管外表面积的比值。

进一步地是翅片簇开设气流通道与气流通道的连通孔，开孔率为0.05～0.2，连通孔为圆形或长圆形或矩形，开孔当量直径1～3mm。

本发明有益效果：本发明遵循基本的流体流动原理，由于在基管两侧的两簇蛇形翅片之间布置气流分区槽，在迎风宽度上使得管外气流不流过管子正面和背面部分投影区域，减少管外气流流动方向变化和减小流动速度变化幅度，降低了低效的气体流动阻力损失。并且由于气体流动速度变化幅度小，不容易造成杂质运动停滞，进而避免杂质结垢粘附，翅片管外传热性能也更加稳定持久，垢阻系数小。翅片表面设置波纹时改变了翅片间通道的气流方向，破坏边界层，强化对流传热。

蛇形翅片是连续制作、气流通道连续。翅片与基管钎焊连接，连接密实稳定可靠，基本没有微观上的缝隙，弧形连接面的热阻远小于绕片式翅片管。

与现有技术相比，在实现相同传热任务时，风机动力消耗降低；或者相同风机动力消耗时，提高了传热量；节约了管外气流对流传热的能源消耗。

附图说明

图1是本发明迎风侧、出风侧均为槽钢形截面形状的结构示意图；

图2是本发明迎风侧U形截面轮廓形状、出风侧为槽钢形截面形状的结构示意图；

图3是本发明迎风侧、出风侧均为U形截面轮廓形状的结构示意图；

图4是图1的断面图；

图5是图2的断面图；

图6是图3的断面图；

图7是图1或图2的俯视图；

图8是图3的俯视图；

图9是本发明的翅片单边横断面图，平壁无波纹；

图10是本发明的翅片单边横断面图，纵波纹翅片；

图11是本发明的翅片单边横断面图，横波纹翅片；

图12是本发明的槽钢形截面气流分区槽；

图13是本发明的U形截面气流分区槽；

图中1-基管、2-气流分区槽、3-翅片簇、4-侧板、5-内凹、6-伸缩节、7-补偿槽、8-波纹状凹凸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作更为详细的说明。以下实例有利于相关技术人员更好地理解本发明，但不以任何性限制本发明。并且应当指出，对于本研究领域的技术人员来说，在本发明的基础上做出的等同性改造，都属于本发明的保护范围。

图1-6为本发明的结构示意图，本发明包含一根圆形截面基管1、两组蛇形翅片簇3、两个气流分区槽2和两个侧板4。翅片簇3内侧面设内凹5，内凹5与基管1外表面连接。

如图1-6所示，一种H型翅片管，其横断面上，基管居中间，水平两侧对称布置与基管相连的翅片，两侧翅片簇之间有一定的间距，间距位置布置两个气流分区槽，两侧翅片簇的外部设置侧板。基管截面为圆形，基管有一定的厚度。单侧翅片的横截面形状为矩形，其四个周边是：不与基管接触的三个翅片外边轮廓线为直线，与基管接触连接的翅片内边轮廓线两端为直线，中间一段为圆弧线，圆弧线为基管外圆的一段。气流分区槽的横截面形状有两种：第一种截面形状为Π形，与翅片接触连接的边为直线，该边端点与基管外轮廓线相交，外边为直线。第二种截面形状为U形，与翅片接触连接的边为直线，该边端点与基管外轮廓线相交，外边为圆弧线。气流分区槽有一定的厚度。H型翅片管的横断面外轮廓分为三种情况：1）矩形（图1）；2）单边翼型（图2）；3）双边翼型（图3）。横截面上，H型翅片管两侧对称（以过基管中心线的垂直剖面对称）；单侧翅片上下可不对称（内凹5不设在翅片上下向正中间），分区槽上下可不对称。

如图1-6示，一种H型翅片管，其横截面上，翅片表面可为平面或设有扰流波纹凹凸，扰流波纹有纵波和横波；翅片传热面上可开设连通孔，连通孔用来平衡相邻通道的压力，也能增加扰流。翅片簇的纵截面形状为蛇形。翅片蛇形的波高为一个空气流道的宽度，蛇形翅片的间距为一个空气流道的厚度，与基管相连区域的蛇形翅片波高连续渐变，变化幅度为圆弧的弦高，弦高大于零，小于等于基管外半径；与基管相连区域的蛇形翅片波峰处有一定的接触宽度，其余位置的波峰和波谷处可为圆弧形、矩形。蛇形的波高和间距根据流动和传热优化确定。

如图12、13所示，一种H型翅片管，其横断面上，基管居中间，水平两侧对称布置与基管相连的翅片，两侧翅片之间有一定的间距，间距位置布置气流分区槽。气流分区槽的横截面形状有两种：第一种截面形状为M形，与翅片接触连接的边为直线，该边端点与基管外轮廓线相交，外边线形为波浪线。第二种截面形状为U形，与翅片接触连接的边为直线，该边端点与基管外轮廓线相交，外边为圆弧线。沿基管轴线方向，气流分区槽每隔一定间距设有内凹的伸缩节6，（伸缩节用来补偿轴向热变形差）；纵主截面上气流分区槽的外轮廓线为一段直线段接一个波形，又接着一段直线段接一个波形，直线段在一条直线上。波形可为半圆形、U形、V形。气流分区槽的两侧平面区域与翅片簇的波峰表面相连。气流分区槽侧边与基管相交位置连续相连。槽钢形截面形状的气流分区槽2顶面上设有沿基管1长度方向的补偿槽7。补偿槽起到补偿横向热变形差的作用。

如图12、13所示，一种H形翅片管，两组蛇形翅片簇钎焊连接在基管外表面上，气流分区槽钎焊连接在翅片簇的侧边蛇形波峰上。

一根H型翅片管的蛇形翅片簇之间的间距小于基管外直径，其范围为换热管外径的0.3～1倍。其大小根据应用场合的动力消耗敏感度、气流清洁程度而确定

翅片的气流通道间距范围为1.8～4mm；H形翅片管的翅化率为6～23。蛇形翅片的气流通道间距根据翅片管所应用的环境而定。 翅片上开设连通孔时；开孔率为0.05～0.2，连通孔形状为圆形、长圆形、矩形，开孔当量直径1～3mm。

蛇形翅片传热面基本形状为平壁，根据场合需要翅片表面可设定扰流波纹，波纹展开系数为1.02～1.2，节距3-5mm；波纹形状有沿气流流动方向的横波纹或纵波纹。波纹分为改变流向和改变流速两类，一般为改变流向类。

如图1-6所示，一种H形翅片管，基管内部流动的换热流体一般为液体，或为气流冷凝、压力气流；管外换热介质为低压或微压气体，两侧流体成错流换热，管外气流流过H形翅片管时气流转向幅度小，气流转向阻力损失低，气流速度变化幅度小，沿程流阻小。流体数值模拟分析表明，与现有相同基管规格的绕片翅片管三角形排列相比，在实现相同传热任务时，在迎风面风速为3.5m/s时，H型翅片管的流动压损降低14%；或者相同风机动力消耗时，提高了管外对流传热系数 19.2%；总体上，节约了管外气流对流传热的能源消耗。由于气流流动速度变化幅度小，不容易造成杂质运动停滞，进而避免杂质堆积粘附结垢，翅片管外传热性能也更加稳定持久，垢阻系数小。对于空冷器而言，其传热温差小仅有不到十度。在风机功率不变的情况，流阻减小10%，风量增加10%，风量增加10%以后，传热系数增加20%左右。在面积相同的情况下带走热量相应增加。

翅片与基管钎焊连接，连接密实稳定可靠，连接面的热阻远小于绕片式翅片管。本发明的H型翅片管，明显地提高翅片管的流动和传热性能。

Claims (10)

1.一种带气流分区的连续型H型翅片管，包括基管（1）、翅片簇（3），其特征是所述翅片簇（3）内侧面设内凹（5），内凹（5）与基管（1）外表面连接，翅片簇（3）沿基管长度方向在基管两侧对称布置，单侧翅片簇（3）横截面为连续蛇形曲折形状，翅片簇（3）外侧面连接有侧板（4），侧板（4）的长度、高度与翅片簇（3）的长度与高度相同，两侧翅片簇（3）之间的上下空档位置布置气流分区槽（2），气流分区槽（2）两侧分别与两边的翅片簇（3）内侧面连接，气流分区槽（2）内壁与基管（1）表面构成空心结构；单侧翅片簇（3）分为连续连接的弯曲段和平面段，平面段与平面段之间表面相互平行；有两种气流通道，分别是弯曲段、平面段、内凹（5）所在基管（1）外表面构成气流通道，弯曲段、平面段、内凹（5）所在基管（1）外表面、侧板（4）内侧面构成气流通道。

2.根据权利要求1所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是所述平面段表面沿气流方向布置有波纹状凹凸（8）。

3.根据权利要求2所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是波纹状凹凸展开系数为1.02～1.2，节距3～5mm；波纹形状有沿气流方向的横波纹或纵波纹。

4.根据权利要求1所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是气流分区槽（2）为槽钢形截面形状，或为U形截面轮廓形状，其配合方式有迎风侧、出风侧均为槽钢形截面形状，迎风侧、出风侧均为U形截面轮廓形状，迎风侧U形截面轮廓形状、出风侧为槽钢形截面形状。

5.根据权利要求1所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是所述气流分区槽（2）设有伸缩节（6），伸缩节（6）为气流分区槽（2）槽壁内凹陷，伸缩节（6）延续方向为沿基管（1）径向，槽钢形截面形状的气流分区槽（2）顶面上设有沿基管（1）长度方向的补偿槽（7）。

6.根据权利要求5所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是伸缩节（6）、补偿槽（7）截面为半圆形或U形或V形。

7.根据权利要求1所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是单侧翅片簇（3）为整块矩形板弯折制成，翅片簇（3）与基管（1）之间、翅片簇（3）与侧板（4）之间、翅片簇（3）与气流分区槽（2）之间连接方式为钎焊。

8.根据权利要求1所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是对称布置的翅片簇（3）间的间距小于基管（1）外直径，其范围为基管（1）外直径的0.3～1倍。

9.根据权利要求1所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是平面段与平面段间距范围为1.5～6mm；H形翅片管的翅化率为6～23。

10.根据权利要求1所述的一种带气流分区的连续型H型翅片管，其特征是翅片簇（3）开设气流通道与气流通道的连通孔，开孔率为0.05～0.2，连通孔为圆形或长圆形或矩形，开孔当量直径1～3mm。