CN204329696U - 一种内翅强化换热管 - Google Patents
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Abstract
一种内翅强化换热管，包括相间隔排列的多个单元管和旋转单元管，所述旋转单元管是由单元管旋转预设角度而成，所述单元管沿轴向在其内与单元管侧壁一体连接有多对上下相对的翅片和贯穿换热管横截面的宽翅片，所述宽翅片位于单元管内的左侧和右侧，所述多对翅片位于左侧和右侧的宽翅片间，且每对上下相对的翅片成轴对称，每对翅板顶端之间的距离为预设距离L3；所述宽翅片和翅片(沿轴向延伸但不完全贯穿，使得单元管和旋转单元管内留有预设长度的光滑段L1和内翅段L2；本实用新型换热管对于具有凝结相变换热的场合，不仅能增加凝结换热的壁面，而且极大地减薄了不凝结气体边界层厚度，增大冷凝换热系数。
Description
技术领域
本实用新型属于换热管技术领域，涉及一种换热器单元结构，特别是一种内翅强化换热管。
背景技术
换热器在国民经济的各行业有着广泛的应用，是能源、石油、化工、冶金、动力、轻工、食品乃至航空航天行业中最常见的设备之一。它不仅是保证工艺流程和条件所广泛使用的设备，而且也是开发二次能源，实现热回收节约能源消耗的重要设备。开发设计先进的强化换热管以及换热设备的合理设计、运转和改进对于节省金属、能源、资金和空间而言是十分重要的。
在换热管中加入内翅片，既可在一定程度上增加换热面积，又改变了流体在管内的流动型式和阻力分布，提高了换热系数。
采用内翅式换热管可起到两个作用，一是提高管内工质到管壁的换热系数；另一是降低管壁温度。管内存在内翅片后，通道截面的当量直径减小，由于当量直径的减小和内壁换热面积的增大，使直内翅管的换热系数远高于光管。因而在相同换热量时，与光管相比可保持较低的管壁温度，不仅能提高单相气流对流换热系数，同时适合于冷凝产生的场合，当有冷凝相变换热时，较低的金属壁温可以获得较大的冷凝量和较好的冷凝效果。
采用内翅式换热管取代普通光管是一种强化管内流体对流换热的方法，适用于管内侧热阻大于管外侧热阻的情况。内翅对换热管内流体换热强度的影响是从两方面实现的。一是内翅把管子分成了许多当量直径较小的流体通道，可以增加管内侧的换热面积；另外一方面，翅片的合理配置还可以改善管内的流动工况：在翅高和翅片数的一定组合下，在管子中心和翅间空间会形成有利于换热的二次流，使换热效果明显提高。
目前采用的最有效内翅管由两个相同的半壳借助于槽状凹陷和肋状凸起互相插接而成，半壳为一侧敞开的成型件，半壳内壁上分布着轴向贯穿的翅片，在半壳横截面上，翅片垂直于接合面成梳状排列，一直延伸到接近接合面的位置，两半壳插接后相对的翅片顶端间均留有一定间隙，该内翅管必须配合外套管使用。该结构的内翅管具有较高的翅化比，能够较大程度上破坏无翅片情况下的径向温度分布模式，增加换热面积和对流换热系数，使得截面温度场出现大量低温区域，但是该结构仍有以下不足之处：
1、无法实现截面温度场均匀的最大化。该内翅结构使得高温烟气流经整个换热管时只能经过固定通道，不同通道的高温烟气相互间的热量交换较少，特别是管道中心无翅片区域仍然为高温气流区域，无法实现截面温度场均匀的最大化。
2、难以保证密封，难以保证与外管接触良好。内翅管由两个半壳插接而成，难以保证密封，因此必须配合外套管使用，又存在与外套管接触不良的问题，很大程度上降低了换热效果。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种内翅强化换热管，烟气沿管流动过程中能够产生相当于管内流的进口段效应和尾流(产生漩涡)共同作用的效果，不断将温度不均的烟气进行掺混，使少量高温烟气的热量平均分配给大量较低温度的烟气，保证总体烟温较低的同时，实现截面温度场均匀的最大化，同时增强了扰动，强化了管内换热；还能够完全破坏无翅片情况下的径向温度分布模式，极大地增加换热面积和流体湍流度，增强对流换热系数，达到最好的换热效果；对于具有凝结相变换热的场合，不仅能增加凝结换热的壁面，而且极大地减薄了不凝结气体边界层厚度，增大冷凝换热系数。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
一种内翅强化换热管，包括相间隔排列的多个单元管1和旋转单元管2，所述旋转单元管2是由单元管1旋转预设角度而成，所述单元管1沿轴向在其内与单元管1侧壁一体连接有多对上下相对的翅片3和贯穿换热管横截面的宽翅片4，所述宽翅片4位于单元管1内的左侧和右侧，所述多对翅片3位于左侧和右侧的宽翅片4间，且每一对上下相对的翅片3成轴对称，每对翅片3顶端之间的距离为预设距离L3；所述宽翅片4和翅片3沿轴向延伸但不完全贯穿，使得单元管1和旋转单元管2内留有预设长度的光滑段L1和内翅段L2。
还包括设置在相间隔排列的多个单元管1和旋转单元管2外周圈并和其外壁相接触外套管5。
所述光滑段L1和内翅段L2的比值为0.2～0.5。
所述预设角度为45°～90°。
所述预设角度为60°或90°。
所述预设距离L3为6～8mm。
所述翅片3的数目根据通入的烟气温度变化，当温度低时，翅片3的数目增加。
所述宽翅片4和翅片3为带孔的平板、球形鼓泡、条形鼓泡、波形、分段锯齿形翅片或者交叉锯齿形翅片。
所述的单元管1和旋转单元管2的横截面为圆形、椭圆形、多边形或方形。
所述单元管1、旋转单元管2、翅片3、宽翅片4和外套管5的材料采用铸铝、铝硅合金、不锈钢或钛合金。
和现有技术相比较，本实用新型具备如下优点：
1、多个单元管1和旋转单元管2相间隔排列，强化换热管横截面出现周期性的变化，烟气在沿管流动过程中从一内翅段进入相邻光滑段时出现进口段效应(烟气速度接近主流速度)，而在烟气从光滑段进入下一内翅段时出现涡流，使得在内翅管段未能实现温度均匀的烟气得以在光滑段强烈掺混，烟气内部直接进行热量交换，使少量高温烟气的热量平均分配给大量较低温度的烟气，保证总体烟温较低的同时，实现截面温度场均匀的最大化，同时内翅段横截面周期性的变化也增强了扰动，强化了管内换热。
2、单元管1和旋转单元管2内翅片3和宽翅片4的设计，使得换热管具有很高的翅化比，结合光滑段的设计能够完全破坏无翅片情况下的径向温度分布模式，极大地增加换热面积和流体湍流度，增强对流换热系数，有效降低烟气温度，尽可能实现截面温度场均匀。
3、单元管为周向封闭的整体结构，可直接灌注而成，制作工艺简单，且无密封问题，无需外套管，可直接作为换热管使用。
4、外套管5的设计，可通过改变厚度和材料以适应不同工质和不同换热条件，进而实现强化换热。
5、单元管1和旋转单元管2内宽翅片4的设计，在有外套管5的情况下，使得内翅管和外套管能够紧密配合，工作时因加热膨胀实现过盈配合，防止因内外管接触不良引起的换热效果降低，同时宽翅板4自身也作为换热面，增加了换热面积，强化了换热。对于具有凝结相变换热的场合，不仅能增加凝结换热的壁面，而且极大地减薄了不凝结气体边界层厚度，增大冷凝换热系数。
附图说明
图1a为本实用新型内翅强化换热管的结构示意图。
图1b为图1a沿A-A向的剖视图。
图1c为图1a沿B-B向的剖视图。
图1d为图1a沿C-C向的剖视图。
图1e为图1a沿D-D向的剖视图。
图2为本实用新型内翅强化换热管有外套管时的右视图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作更详细的说明。
如图1a、图1b、图1c、图1d、图1e和图2所示，本实用新型一种内翅强化换热管，包括相间隔排列的多个单元管1和旋转单元管2，所述旋转单元管2是由单元管1旋转预设角度而成。所述单元管1沿轴向在其内与单元管1侧壁一体连接有多对上下相对的翅片3和贯穿换热管横截面的宽翅片4，所述宽翅片4位于单元管1内的左侧和右侧，所述多对翅片3位于左侧和右侧的宽翅片4间，且每对上下相对的翅片3成轴对称，每对翅板3顶端之间的距离为预设距离L3，翅片3和宽翅片4的设计，使得换热管具有很高的翅化比，结合光滑段的设计能够完全破坏无翅片情况下的径向温度分布模式，极大地增加换热面积和流体湍流度，增强对流换热系数，有效降低烟气温度，尽可能实现截面温度场均匀。所述宽翅片4和翅片3沿轴向延伸但不完全贯穿，使得单元管1和旋转单元管2内留有预设长度的光滑段L1和内翅段L2，多个单元管1和旋转单元管2相间隔排列，强化换热管横截面出现周期性的变化，烟气在沿管流动过程中从一内翅段进入相邻光滑段时出现进口段效应(烟气速度接近主流速度)，而在烟气从光滑段进入下一内翅段时出现涡流，使得在内翅管段未能实现温度均匀的烟气得以在光滑段强烈掺混，烟气内部直接进行热量交换，使少量高温烟气的热量平均分配给大量较低温度的烟气，保证总体烟温较低的同时，实现截面温度场均匀的最大化，同时内翅段横截面周期性的变化也增强了扰动，强化了管内换热。
作为本实用新型的优选实施方式，还包括设置在相间隔排列的多个单元管1和旋转单元管2外周圈并和其外壁相接触外套管5。外套管5的设计，可通过改变厚度和材料以适应不同工质和不同换热条件，进而实现强化换热。在有外套管5的情况下，宽翅片4的设计使得内翅管和外套管能够紧密配合，工作时因加热膨胀实现过盈配合，防止因内外管接触不良引起的换热效果降低，同时宽翅板4自身也作为换热面，增加了换热面积，强化了换热，对于具有凝结相变换热的场合，不仅能增加凝结换热的壁面，而且极大地减薄了不凝结气体边界层厚度，增大冷凝换热系数。
作为本实用新型的优选实施方式，所述光滑段L1和内翅段L2的比值为0.2～0.5。该比例使得烟气在光滑段进行足够掺混的同时，尽快进入下一内翅段内实现换热强化。
作为本实用新型的优选实施方式，所述预设角度为45°～90°。进一步地，所述预设角度为60°或90°。该预设角度使得内翅段横截面呈周期性变化，进一步增强了扰动，强化了管内换热，降低管内烟气内部温差。
作为本实用新型的优选实施方式，所述预设距离L3为6～8mm。
作为本实用新型的优选实施方式，所述翅片3的数目根据通入的烟气温度变化，当温度低时，翅片3的数目增加。可以在实现烟气体积逐渐减小的同时保持相对较高的烟气流速，特别是在烟气冷凝需要烟气撕裂液膜的条件下，可以显著增加对流和凝结换热系数。
作为本实用新型的优选实施方式，所述宽翅片4和翅片3为带孔的平板、球形鼓泡、条形鼓泡、波形、分段锯齿形翅片或者交叉锯齿形翅片，以增加换热面积和增强扰动。
作为本实用新型的优选实施方式，所述的单元管1和旋转单元管2的横截面为圆形、椭圆形、多边形或方形。不同横截面可适应不同的放置空间，调整换热管的排列布置方式
作为本实用新型的优选实施方式，所述单元管1、旋转单元管2、翅片3、宽翅片4和外套管5的材料采用铸铝、铝硅合金、不锈钢或钛合金。与传统铸铁式或不锈钢换热管相比，铸铝或者铝硅合金应用于换热管具有以下优势：铝的导热系数是不锈钢的8倍，在燃烧室及水路设计上给出了较大的空间；在抗腐蚀方面，铝可以有效防止酸性腐蚀及氧腐蚀，可靠性较高；从原料价格，加工性和加工成本来看，铝具有绝对优势。所述的强化换热管连接部位可优先选用搅拌摩擦焊，不需要消耗焊条和药皮，高效、环保，也可以选用其他对接焊接方法，如：埋弧自动焊、钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)或活性气体保护焊(MAG)等焊接方式连接。
工作原理
热能的传递有方式三种：热传导、热对流和热辐射。其中热传导传递热量为Φ＝hAΔt。影响因素主要有温差、换热面积和流速，温差不变的情况下提高流速和换热面积可有效增加传热量。
高温烟气从内翅强化换热管内通过，管外流过低温流体，高温烟气的热量通过热传导传递给管壁，管壁又通过热传导将热量传递给管外低温流体，从而降低烟气温度，提高管外流体温度。
在单相换热过程中，烟气在沿管流动过程中从一内翅段进入相邻光滑段时出现进口段效应(烟气速度接近主流速度)，而在烟气从光滑段进入下一内翅段时出现涡流，从而使其管内强化传热十分显著。而在高温烟气流经内翅段时，翅片3和宽翅板4将换热管内高温气体分割成若干换热区域，极大地增加了换热面积，强化了换热；同时翅片间的流动空间内形成较高流速的流场，翅片及翅片上加工出的各种形状的存在加强了扰动，使得湍流增强，进一步强化了流动换热。
在具有冷凝相变的换热过程中，数个单元管1和旋转单元管2交错布置，由于横截面周期变化产生的进口段效应和尾流效应增强了流体在管内的扰动，更易减薄不凝性气体边界层厚度，烟气主流中的水蒸气只要穿过较薄的不凝性气体边界层即可在翅片壁面上发生凝结。内翅段由于翅片的分割作用，将高温烟气分成薄层，极大地减薄了不凝性气体边界层厚度，显著削弱了不凝性气体边界层对水蒸气冷凝的阻碍。同时强化换热后的翅片表面温度降低后，为烟气中水蒸气的冷凝进一步提供了温差动力，冷凝后附着在翅片以及框架壁上的冷凝液可以通过重力以及烟气冲刷的作用及时排出，翅片表面打孔，或把翅片做成鼓泡型、波形、以及分段、交叉的锯齿翅片等结构进一步破坏了液膜厚度，减小了液膜的传热和传质阻力，使冷凝换热进一步增强。
Claims (10)
1.一种内翅强化换热管，其特征在于：包括相间隔排列的多个单元管(1)和旋转单元管(2)，所述旋转单元管(2)是由单元管(1)旋转预设角度而成，所述单元管(1)沿轴向在其内与单元管(1)侧壁一体连接有多对上下相对的翅片(3)和贯穿换热管横截面的宽翅片(4)，所述宽翅片(4)位于单元管(1)内的左侧和右侧，所述多对翅片(3)位于左侧和右侧的宽翅片(4)间，且每对上下相对的翅片(3)成轴对称，每对翅板(3)顶端之间的距离为预设距离L3；所述宽翅片(4)和翅片(3)沿轴向延伸但不完全贯穿，使得单元管(1)和旋转单元管(2)内留有预设长度的光滑段L1和内翅段L2。
2.根据权利要求1所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：还包括设置在相间隔排列的多个单元管(1)和旋转单元管(2)外周圈并和其外壁相接触外套管(5)。
3.根据权利要求1所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：所述光滑段L1和内翅段L2的比值为0.2～0.5。
4.根据权利要求1所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：所述预设角度为45°～90°。
5.根据权利要求4所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：所述预设角度为60°或90°。
6.根据权利要求1所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：所述预设距离L3为6～8mm。
7.根据权利要求1所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：所述翅片(3)的数目根据通入的烟气温度变化，当温度低时，翅片(3)的数目增加。
8.根据权利要求1所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：所述宽翅片(4)和翅片(3)为带孔的平板、球形鼓泡、条形鼓泡、波形、分段锯齿形翅片或者交叉锯齿形翅片。
9.根据权利要求1所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：所述的单元管(1)和旋转单元管(2)的横截面为圆形、椭圆形、多边形或方形。
10.根据权利要求2所述的一种内翅强化换热管，其特征在于：所述单元管(1)、旋转单元管(2)、翅片(3)、宽翅片(4)和外套管(5)的材料采用铸铝、铝硅合金、不锈钢或钛合金。
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