CN1145781C - 交叉椭形截面换热管 - Google Patents
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Abstract
交叉椭形截面换热管，是由多个轴线相互交叉的椭形截面管段和部分圆形截面管段及其过渡段组成，其特征在于交叉椭形截面换热管的相邻椭形截面管段的椭形截面长轴轴线相互交叉。其优点是管内外强化传热作用显著、流阻较小和成型简单等优点。交叉椭形截面换热管与普通光滑圆形截面换热管相比，对于层流一般可提高传热系数2-3倍甚至更多，对于湍流一般可提高传热系数30%以上。
Description
本发明涉及一种强化传热换热管，特别是通过辊轧或模压使圆形截面换热管分段压扁为椭形截面管段，且相邻管段椭形截面轴线相互交叉的强化传热换热管
近年来强化传热技术在工程应用中得到广泛的重视和发展。对于管流其入口段具有较好的强化传热作用，但目前在工程应用中几乎为空白；二次流和涡流强化传热效果也十分明显，但目前主要限于粗糙肋表面(如螺旋槽、横槽等)和波纹管类换热管等。粗糙肋表面和波纹管类换热管，其流阻较大，加工效率较低或制造工艺复杂，其制造费用相对较高。此外，波纹管类换热管多为薄壁管，其承压较低因而应用受限。在已公开的轧制或压制成型的扁形高效换热管技术中，以ZL97221659.6“螺旋扭曲椭形截面换热管”和“变截面管”(《化肥工业》1998.06 P27-32；《化工设备设计》1999.06 P5-8)最具特色。“螺旋扭曲椭形截面换热管”为连续扭曲的椭形截面换热管，由于沿轴线其截面基本为等截面，因而其流阻较小，且一般可提高强化换热系数30％以上。“变截面管”是以圆形截面为主和局部压扁的渐变扁形截面换热管，由于其截面周期性的渐扩和渐缩引起扰流，因而其强化换热效果也较好，但流阻较大。
本发明的目的是克服或弥补现有技术的不足，提供一种通过辊轧或模压特别是一次辊轧使圆形截面换热管分段压扁为椭形截面管段，且相邻管段椭形截面轴线相互交叉的强化传热换热管。交叉椭形截面换热管是以椭形截面管段为换热主体，除管端外只在相邻交叉椭形截面管段的过渡段存在少部分圆形截面及其过渡截面。交叉椭形截面换热管的管壁在过渡段处沿管轴线方向出现周期性的过渡台阶，使管内流体在从一椭形截面管段进入另一交叉的椭形截面管段时，在椭形截面的大曲率半径壁面处出现进口段效应(流体流速接近主流速度)，而在椭形截面的小曲率半径壁面处出现涡流；同时由于过渡段处在一方向的渐扩和在另一方向的渐缩，使流体产生强烈的垂直于主流方向的流动(即二次流)，从而使其管内强化传热作用十分显著。由于各交叉椭形截面管段的管内截面面积几乎相等，且过渡段的截面面积与换热主体——椭形截面管段的截面面积相差不大，因而其流阻较小。管外流体为纵流时，其换热及流阻特性与管内流基本相似，主要是交叉的椭形截面管段的分段所产生的相当于管内流的“进口段效应”和管壁的接触或接近处所产生的尾流(产生涡流)的共同作用，使管外流体与壁面的换热得以较好地强化而流阻相对增加不大。该换热管集“进口段效应”、涡流和二次流等多种强化传热方法于一体，具有十分显著的强化传热效果。
本发明的目的是这样实现的：
使用平行轴轧辊对或成型压制模具，将光滑或低肋表面的圆形截面换热管在滚轧或模压过程中特别是一次轧制过程中成型为分段压扁的椭形截面管段，且相邻管段椭形截面轴线相互交叉的椭形截面换热管。相邻交叉椭形截面管段之间和圆形截面管段与椭形截面管段之间存在过渡段。通过辊轧或模压还可使其管壁产生不同的凹凸壁面，以进一步强化传热过程。考虑到与管板、折流板的连接方式，管两端和部分中间段仍保持其圆形截面。
本发明与现有技术相比，具有管内外强化传热作用十分显著、流阻较小和成型简单等优点。交叉椭形截面换热管与普通光滑圆形截面换热管相比，对于层流一般可提高传热系数2-3倍甚至更多，对于湍流一般可提高传热系数30％以上，从而具有十分重要的工程实际应用价值。
本发明的具体结构由以下的实施例及其附图给出。
图1是十字交叉椭形截面换热管的结构示意图。图中D为轧制基管的外径，L为换热管总长度，L0为管端部圆形截面管段的长度，S为一个椭形截面管段的长度(包括过渡段长度)，H为一个过渡段的长度，A、B分别为椭形截面的长、短轴轴径。图中相邻两椭形截面管段的椭形截面长轴轴线相互垂直(互成90°)。十字交叉椭形截面换热管主要用于换热器管束中换热管四边形布管情况。
图2是60°交叉椭形截面换热管的结构示意图。图中D为轧制基管的外径，L为换热管总长度，L0为管端部圆形截面管段的长度，S为一个椭形截面管段的长度(包括过渡段长度)，H为一个过渡段的长度，A、B分别为椭形截面的长、短轴轴径。图中相邻两椭形截面管段的的椭形截面长轴轴线相互成60°。60°交叉椭形截面换热管主要用于换热器管束中换热管三角形布管情况。
见图1、图2，本发明的具体结构如下：
交叉椭形截面换热管是由多个轴线相互交叉的椭形截面管段和部分光滑圆形截面管段组成，且相邻管段之间存在过渡段。
交叉椭形截面换热管的相邻椭形截面管段的椭形截面长轴轴线相互交叉(交叉角度C不为零度)，优先选用公称交叉角为90°和60°两种。公称交叉角为90°(十字交叉)的交叉椭形截面换热管主要用于换热器管束中换热管四边形布管情况。公称交叉角为60°的交叉椭形截面换热管主要用于换热器管束中换热管三角形布管情况。
交叉椭形截面换热管的椭形截面形状可以是标准椭圆形截面或近似椭圆形截面形状，也可以是长圆形截面或多段弧线拟合的具有长短径的对称和近似对称的截面形状。椭形截面的长、短轴轴径之比A/B＝1.1-2.5，推荐选用A/B＝1.4-1.6。每段椭形截面管段可以为等截面也可以为非等截面，推荐选用等截面。每段椭形截面管段可以为等长也可以为不等长，推荐选用等长。每段椭形截面管段长度S(包括过渡段长度H)与基管外径D之比S/D≤20，推荐选用S/D＝2-5。每段过渡段长度H与基管外径D之比H/D≤2，且H/S≤0.5，推荐选用H/D＝0.1-0.5。
交叉椭形截面换热管的实施方式可以是模压成型和轧制成型等方法。由于轧制成型方法具有产品尺寸稳定、生产效率高等优点，推荐选用辊轧成型方法特别是一次辊轧成型方法。一次辊轧成型制造交叉椭形截面换热管的方法，是使用中心距可调同步旋转的平行轴轧辊对，且轧辊的轧槽径向剖面形状为分段部分椭形截面或修正的椭形截面形状。
Claims (3)
1、交叉椭形截面换热管，是由多个轴线相互交叉的椭形截面管段和部分圆形截面管段及其过渡段组成，其特征在于交叉椭形截面换热管相邻椭形截面管段的椭形截面长轴轴线相互交叉。
2、根据权利要求1所述交叉椭形截面换热管，其特征在于交叉椭形截面换热管的椭形截面形状可以是标准椭圆形或近似椭圆形截面形状，也可以是长圆形或多段弧线拟合的具有长短径的对称和近似对称的截面形状；椭形截面的长、短轴轴径之比A/B＝1.1-2.5。
3、根据权利要求1所述交叉椭形截面换热管，其特征在于交叉椭形截面换热管的每段椭形截面管段长度S与基管外径D之比S/D≤20；每段过渡段长度H与基管外径D之比H/D≤2，且H/S≤0.5。
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