CN1190645C - 圆－椭圆截面交叉缩放强化换热管 - Google Patents
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Abstract
圆—椭圆截面交叉缩放强化换热管，涉及一种强化传热元件。它是由若干圆管段、椭圆管段和圆—椭圆过渡段所组成，所述圆管段和椭圆管段依次周期排列，而且相邻椭圆管段的椭圆长轴之间交叉15～90度角。本发明是根据“场协同原理”设计的，其优点是流动阻力小，速度场与温度梯度场有更好的协同程度，因此具有更好的传热强化性能，在设计制造折流板和折流杆时，加工和装配更方便。本发明适用范围广，既能用于单相流体传热强化，亦可用于流动沸腾、流动冷凝等相变换热强化；由于管截面形状和大小的频繁变化，非常有利于阻止污垢的形成，用本发明制造的管壳式换热器，其管束的振动要比用普通圆管制造的大为减轻，从而使换热器的使用寿命大大提高。
Description
技术领域：
本发明涉及一种强化传热元件，特别是一种圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管，属传热强化和换热器技术领域。
背景技术：
传热强化技术由于其能提高热量传递速率和节能，在工程中获得了广泛的应用。它通常可分为主动强化和被动强化技术。前者是指需从外界输入能量的传热强化技术，如电场强化、磁场强化、振动强化技术等等；后者则是指不需外界能量的传热强化技术，因此更易在工程中被采用。被动强化技术通常包括扩展表面(肋片)、管内插入物、旋流(紊流)发生器等。上述传热强化技术在顾维藻、神家锐、马重芳、张玉明等所著《强化传热》(科学出版社1990)一书中都有比较详细的介绍。被动强化技术虽已被广泛应用，但仍存在着一个共同的问题，即传热强化的同时，流动阻力增加更多，不利于节能，从而阻碍这些技术更广泛地应用于各工程领域。
与常规的传热强化技术不同，过增元等(Guo Z.Y，Mechanism and Control of ConvectiveHeat Transfer-Coordination of Velocity and Heat Flow Field，Chinese Science Bulletin，46(7)：596-599 Apr.2001.)从流体速度场与温度梯度场的协同的角度提出了传热强化的新方法——“场协同原理”，即提高场的协同程度(减小速度矢量与温度梯度矢量的夹角、增加速度场的均匀程度等等)就能在阻力增加较少的条件下强化传热。管流中的对流换热，如果能形成径向流动，就能显著改善速度场与温度梯度场的协同程度，从而强化传热。这就是管内二次流或涡流的出现能强化传热的本质原因。
中国发明专利“交叉椭形截面换热管”(申请号：00136122.8，发明专利公报第18卷第31期)提出了一种新的换热管，这种换热管由若干椭圆管段组成，相邻椭圆管段的椭圆长轴之间相交一定角度(一般为60度或90度)。这种设计较好地符合“场协同原理”，因而有比较大的传热强化效果，流动阻力的增加也不大。然而该专利技术仍然存在明显的不足，主要是：1、流动阻力还可以更小、2、椭圆管耐压能力较差，限制了它在高压条件下的应用、3、当用这种换热管制造换热器时，由于椭圆管段的方向问题，使换热器中的折流板或折流杆的设计制造有些麻烦。
发明内容
本发明的目的是根据“场协同原理”并针对上述发明专利的缺点，提出了一种圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管，与其他强化传热管相比，在相同泵(风机)功耗下，具有更好的传热性能；与“交叉椭形截面换热管”相比，在相同的传热能力下，具有其流动阻力更小、耐压能力更高、而且可消除设计制造折流板和折流杆时遇到的麻烦。
本发明的技术方案如下：一种圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管，其特征在于：它由若干圆管段、椭圆管段和圆-椭圆过渡段所组成，所述圆管段和椭圆管段依次周期排列，而且相邻椭圆管段的椭圆长轴之间交叉15～90度角；所述各圆管段的长度与其内径之比为0.5～10；所述各椭圆管段的长度与圆管内径之比为1～10；所述椭圆管外径的长轴与短轴之比为1.1～2.5；优选值为1.3～1.7。
本发明的技术特征还在于所述的换热管的内表面或外表面或内、外表面可以采用光滑表面，也可以采用低肋表面或螺纹表面。
本发明具有以下优点及突出型进步：①所获得的大尺度二次流(涡流)，不是靠外界插入物产生，而是靠管子沿程截面形状变化所致，因此流动阻力小；②所获得的二次流是纵向涡(涡的方向与流向平行)，它与管内的横向涡(涡的方向垂直于流动方向)相比，速度场与温度梯度场有更好的协同程度，而且沿程衰减慢，因此能具有更好的传热强化性能。与其他强化换热管相比，在相同泵(风机)功耗下，本发明具有更好的传热性能；与“交叉椭形截面换热管”相比，在相同的传热能力下具有流动阻力更小，其流动阻力减小10％以上；耐压能力更高，管壁内应力小，承压能力提高30％；而且消除了设计制造折流板和折流杆时所遇到的麻烦，设计、加工、装配更方便。本发明适用范围广，既能用于单相流体传热强化，亦可用于流动沸腾、流动冷凝等相变换热强化；既用于管内传热强化，亦使管外传热得到强化。除此之外，本发明的强化换热管由于管截面形状和大小的频繁变化，非常有利于阻止污垢的形成，用本发明强化管制造的管壳式换热器，其管束的振动要比用普通圆管制造的大为减轻，使换热器的使用寿命大大提高。
附图说明
图1为本发明提供的圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管的结构示意图。
图2为图1的E-E视图。
图3为椭圆管段内的流动结构，近壁区域呈现了8个纵向涡。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体结构。
图1是本发明提供的圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管的结构示意图。该强化换热管由若干个圆管段1、椭圆管段2、圆-椭圆过渡段3和两端进口圆管段4所组成。圆管段的长度Lc根据耐压、流动阻力、安装折流板或折流杆的要求来取，一般Lc/d＝0.5～10，其中d是圆管的内径。各个圆管段的长度可以等长也可以不等长。两端圆管段长度Lo可以取管板厚度的2～4倍，视它与管板装配的需要而定，在满足装配需要的前提下取小值。椭圆管段的长度Le根据强化传热的要求来取，一般Le/d＝1～10。各个椭圆段的长度可以等长也可以不等长。椭圆管段横截面形状为标准椭圆或近似椭圆或两条直线加两个圆弧构成的扁圆形或多段弧线拟合的对称和近似对称的扁圆形。椭圆(扁圆)管外径长、短轴之比取A/B＝1.1～2.5，优选用A/B＝1.3～1.7。相邻两椭圆管段，其椭圆(扁圆)的长轴之间有一个夹角C(见图2，E-E视图)，取C＝15～90度角，优选C等于60度和90度两种；若换热器中换热管按四边形排列，取C＝90度，若换热管成三角形排列，取C＝60度。圆-椭圆过渡段的长度Lt取Le/2≥Lt≥0.1d，推荐选用小值，各个过渡段的长度可以等长也可以不等长。
本发明“圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管”的内表面、外表面或内、外表面既可以是光滑表面(例如用普通圆管通过辊轧或模压或在轧制无缝管时一次成形)，也可以是低肋表面或螺纹表面(例如用低肋管或螺纹管来制造)，形成周期性的圆-竖椭圆-圆-横椭圆-圆….结构(见图1、图2)。在控制椭圆度不要太高的情况下，这种管子的沿程流通面积变化不大，但由于截面形状的急剧变化，使流体在同一个截面上实现了一部分收缩而另一部分放大，其结果形成了4个或6个或8个涡流的二次流(见图3)，从而大大改善了管内流体速度场与温度梯度场的协同。带低肋表面的称为“低肋圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管”；带螺纹表面的称为“螺纹圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管”。低肋的和螺纹的“圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管”既具有场协同强化传热的作用又具有扩展表面强化传热的作用，强化传热的效果更好，但流动阻力相应增大，而且对工作流体的清洁程度要求严格。这两类“圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管”更适合用于工作流体不含纤维和颗粒，且粘度较大、流动速度很小的场合。
Claims (4)
1.一种圆一椭圆截面交叉缩放强化换热管，其特征在于：它由若干圆管段、椭圆管段和圆一椭圆过渡段所组成，所述圆管段和椭圆管段依次周期排列，而且相邻椭圆管段的椭圆长轴之间交叉15～90度角；所述各圆管段的长度与其内径之比为0.5～10；所述各椭圆管段的长度与圆管内径之比为1～10；所述椭圆管外径的长轴与短轴之比为1.1～2.5。
2.据权利要求1所述的圆一椭圆截面交叉缩放强化换热管，其特征在于：相邻椭圆管长轴之间交叉角为60度或90度。
3.据权利要求1所述的圆一椭圆截面交叉缩放强化换热管，其特征在于：所述椭圆管外径的长轴与短轴之比为1.3～1.7。
4.据权利要求1、2或3所述的圆-椭圆截面交叉缩放强化换热管，其特征在于：所述的换热管的内、外表面为光滑表面、低肋表面或螺纹表面。
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