CN201903279U - 一种自振高效换热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及热交换器中的换热管，尤其涉及强化换热的一种自振高效换热管。它的横截面为圆环形，整体为弹簧状，其管材须具有较高韧性；起换热作用部分的螺旋升角为10°～30°，其螺距为该换热管外径的3～6倍。将本换热管装入换热器中后，通过各种方式来不断地改变流经该换热管内的介质(例如热水等)的压力和流速，可使得换热管自振，从而实现小空间大热量的热传输，不但大大提高了传热效率，而且还能有效地防止管壁结垢。与现有换热管比较，本实用新型阻力更小，结构更为简单，当使用该自振高效换热管组成换热器时，还可由2根或2根以上的该换热管组成换热管束，使换热器单位空间的换热量进一步提高。

Description

一种自振高效换热管

技术领域

本实用新型涉及热交换器中的换热管、尤其涉及强化换热结构的换热管。

背景技术

热交换器、也称换热器，是石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷、食品、环保以及其他许多工业部门广泛使用的通用工艺设备，是保证加工过程正常顺利运转不可缺少的关键部件，在材质消耗、动力消耗及工程投资方面占有很重要的份额。目前，能源危机越来越严重，以能源为中心的社会、经济、环境等问题日益突出，节能和能源的合理有效利用显得尤为重要。

要提高换热器的效率，即强化换热器的传热，可采取某些技术措施以提高换热设备的传热量或者在满足原有传热量条件下，使它的体积缩小。换热器传热强化通常使用的手段包括三类：扩展传热面积(F)；加大传热温差；提高传热系数(K)。而在特定的使用条件下，通常传热温差是固定的，因此换热器的强化传热集中在扩展传热面积和提高传热系数上。现在已有的，比较好的方案是采用螺旋管以增大传热面，加入扰动以提高传热系数。专利号为CN93246616.8的《螺旋双圆弧扁管式换热器》，其结构就具有一定的强化传热作用。它的换热管为螺旋双圆弧扁管形状，其螺旋是以换热管自身的轴心为中心线，将管本身扭成螺纹状，通过其换热管的形状使得管内介质流动状态发生一些改变，可以获得较常规换热器略大一点的对流换热系数。但是，由于其螺旋升角过大，故对流换热系数的提高十分有限；而且要把扁管形状的换热管加工成螺旋状，其难度也相当大。

实用新型内容

本实用新型的目的是，提供一种能够极大地提高对流换热系数、且加工容易的自振高效换热管。

实现所述目的之技术方案是这样一种自振高效换热管，它与现有技术相同的方面是，起 换热作用的部分呈螺旋状。其改进之处是，本实用新型中换热管的横截面为圆环形，起换热作用部分的螺旋升角为10°～30°、其螺距为该换热管外径的3～6倍；该换热管整体为弹簧状，其管材须具有较好的韧性；把该换热管两端固定在换热器上的、其换热介质的进口端1和出口端2，均是一段直管。也就是说，本实用新型换热管中起换热作用的部分，其外形相当于是一段压缩弹簧。

把本实用新型的换热管装入换热器中后，除仍可以像现有技术那样使用之外，还可以通过流经该换热管内的介质(例如热水等)自振，不断地改变介质的压力和流速，使介质的压力和流速在一定范围内不断变化，从而使得该换热管产生轴向上的自振，进一步强化换热效果。

从方案中可以看出，该换热管本身已经不是现有技术中的那种“刚性”的结构了，而是具有一定弹性的结构。所以，该换热管在使用时，其自身有一定的轴向振动(即：在螺旋管段上两个任意的观察点之间看，该段是时而伸长、时而缩短的)，这样，其弹簧状管的内壁就不断地撞击着流体介质，形成强制旋流和二次流，促进从层流边界层到旺盛紊流区的径向混合，从而使流体产生旋涡运动，基本消除了层流边界层，缩小了过渡区，扩大了紊流区，提高了换热性能。在其管外，也由于弹簧状管的不规则外形以及轴向振动，同样破坏了管面的边界层，并增加了管外流体的扰动，也提高了换热性能。

同样由于该换热管是弹簧状，这样，其总长度就有所增加，且该换热管可由2根或2根以上的该换热管组成换热管束，进一步扩大了换热面积。

由于换热管在使用时其自身有一定的轴向振动，介质不断改变流向而冲击管壁，从而又有防污垢和自净的效果，进而能够长期维持较好的传热性能、并能防止内管壁被沉积物腐蚀，既降低了维护费用、也延长了其使用寿命。

由于本实用新型换热管绕制容易，其结构简单，加工方便，与带肋片的换热管相比较，其强化传热的效益远远大于投入，具有很高的经济性。

把本实用新型的换热管装入换热器中后，以脉动或其它方式来不断地改变其管内介质的压力和流速。这样一来，上述有益效果更能进一步提升。

总之，与现有的换热管相比较，本实用新型不但有很高的传热效率，而且还有很强的自 净和防结垢的能力，能有效的利用空间，实现小空间大热量热传输的能力。是一种结构简单、系统成本低廉的综合节能方案。相对于一般的自净传热管而言，本实用新型阻力更小，结构更为简单，不但成本低廉，而且能够很快地在实际中推广与应用。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明：

图1——本实用新型的结构示意图

图2——图1的俯视图

图3——变频器频率变化示意图

图4——换热介质压力变化示意图

图5——本实用新型螺旋管段两个观察点之间的长度变化示意图

具体实施方式：

一种自振高效换热管，换热管除去进口端1和出口端2的部分呈螺旋状(参考图1、2)。在本实用新型中，换热管的横截面为圆环形，起换热作用部分的螺旋升角θ为10°～30°、其螺距h为该换热管外径的3～6倍；该换热管管材为柔性管材，整体为弹簧状；把该换热管两端固定(通常为焊接)在换热器上的、其换热介质的进口端1和出口端2与现有技术相同，均是一段直管(显然，它们均只是一小段)。根据实际安装情况，该进口端1或出口端2的这一小段直管，既可以与该螺旋管段的两端直接延长或折弯、也可以折弯到它们或它们之一的轴线与螺旋管段轴线重叠的状态(由于显见，附图仅绘制出了进口端1和出口端2的两一小段直管的轴线均与螺旋管段轴线重叠的结构)。

显然，换热管中起换热作用部分的螺旋升角θ的大小、螺距h的数值，应当根据相应换热器和其他条件与要求来确定。例如：螺旋升角θ为10°、螺距h为该换热管外径的3倍；螺旋升角θ为30°、螺距h为该换热管外径的6倍；或者螺旋升角θ为10°、其螺距h为该换热管外径的6倍；螺旋升角θ为30°、其螺距h为该换热管外径的3倍等等，均有程度 不同的有益效果。

进一步讲，在其他条件允许的情况下(例如，螺旋管外径没有受到限制)，那么，所述螺旋升角θ以10°～15°，其螺距h以该换热管外径的4～5倍为宜。例如：取螺旋升角θ为12°，取螺距h为该换热管外径的4.5倍。

更进一步讲，该自振高效换热管更适合于竖直地安装在相应换热器中。

当因其他条件限制，该自振高效换热管需要水平或倾斜地安装在相应换热器中时，至少在该自振高效换热管的中部，应当把它与吊在相应换热器中的吊索(通常为足以承受其重量的钢绞绳)相连接。

显然，在选购绕制该螺旋状换热管的管材时，应当格外注意其材料的柔性，在绕制时注意不要出现裂纹，以免将来产生疲劳破坏。

当使用该自振高效换热管组成换热器时，还可由2根或2根以上的该换热管组成换热管束，进一步节省了空间，使换热器单位空间的换热量进一步提升。

下面结合图3、4、5，以换热介质为热水，由水泵输送且由电机提供动力为例，介绍一下用脉动方式来不断地改变该自振高效换热管内介质的压力和流速的工作情况。

水泵电机用脉动输出电源的变频器供电，变频器有两个输出频率，即f₁和f₂，以周期T变化(参考图3)。由于变频器输出电压的变化，水泵的电机的转数也会随着改变，从而使得水泵扬程随之变化。水泵的扬程的变化将使得热水的压力随之变化，压力P的值也以周期T在P₁和P₂中交替变化(参考图4)。由于该换热管为弹簧状，具有弹性，当压力变化的热水通过该换热管的弹簧状段的某个局部(即在螺旋管段上两个任意的观察点之间)时，其长度L的值，即L₁和L₂也在周期T内交替变化(参考图5)，也即产生了轴向振动，从而达到了强化换热及其他效果。

本领域的技术人员清楚，上述这种轴向振动，必须要以避免该换热管和相应换热器发生共振为度。显然，避开共振频率已经是本领域技术人员通过常规的计算和/或试验能够做到的，故在本说明书不赘述。

Claims (2)

1.一种自振高效换热管，换热管除去进口端(1)和出口端(2)的部分呈螺旋状，其特征是，所述换热管的横截面为圆环形；该换热管整体为弹簧状；换热管除去进口端(1)和出口端(2)的部分的螺旋升角(θ)为10°～30°、其螺距(h)为该换热管外径的3～6倍；把该换热管两端固定在换热器上的管段，即换热管的进口端(1)和出口端(2)均为一段直管。

2.根据权利要求1所述自振高效换热管，其特征是，所述螺旋升角(θ)为10°～15°，其螺距(h)为该换热管外径的4～5倍。 

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