CN214039704U - 一种强化冷凝换热的椭圆管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种强化冷凝换热的椭圆管，其椭圆型冷凝管两端连接圆管，椭圆型冷凝管上沿轴向设置若干个均匀分布并垂直于轴线的环状沟槽。本实用新型所设置环状沟槽间距等于Taylor波长，相邻沟槽间的凸起表面呈抛物面。由此椭圆管下沿处构成了Rayleigh‑Taylor波的气‑液界面状。在Rayleigh‑Taylor不稳定性作用下，冷凝液体快速离开波谷，朝波峰处集聚，继而滴落，达到快速排液减薄液膜的目的，提高了冷凝换热系数。

Description

一种强化冷凝换热的椭圆管

技术领域

本实用新型涉及一种强化冷凝换热的椭圆管，属于热交换器用换热管制造领域，尤其适用于冷凝器用管。

背景技术

冷凝器的工作原理是蒸汽通过与换热管内的冷水进行热交换，在换热管表面凝结并构成液膜。由于液膜阻止了蒸汽与换热管表面的直接接触，蒸汽只能与液膜表面进行热交换。液膜厚度越大，液膜表面的温度越高，换热温差越小，换热系数越低，液膜热阻成为冷凝换热的较大热阻，所以减薄液膜厚度是提高冷凝换热系数有效途径。椭圆管是冷凝器内使用的换热管，因为在相等的管内横截面条件下，椭圆管的外表面积大于圆管，因此，同样管外冷凝换热条件下，液膜厚度比圆管薄，所以椭圆管比圆管的换热效率要高。但是，椭圆管表面的液膜分布具有不均匀性。在液体的粘性力、表面张力作用下，液膜往往滞留在椭圆管下沿处不易脱落而形成淹没区，其液膜厚度大于上表面，导致椭圆管下半部分的换热系数的急剧下降。中国专利CN201837276U，公开一种椭圆扭曲管同轴换热器，外管为圆管，内管设置为单根椭圆扭曲管。所述椭圆扭曲管为螺旋扭曲通道结构的椭圆管，椭圆的长轴方位周期性改变，造成管内以及套管间隙内流体的剧烈扰动，提高了管内、外换热系数。但是该种椭圆管换热器不涉及冷凝相变传热。中国专利CN109059604A提出一种基于亲疏水间隔的不稳定波强化冷凝管，内管为光滑圆管，外管的壁厚依照普拉托-瑞利临界不稳定波长呈周期起伏形状，形成正弦波形状的外表面换热管，两种管套装形成复合管。另外，利用乙烯基三乙氧基硅烷对波谷处壁面进行疏水性处理，波峰处保持湿润亲水性，呈亲疏水间隔分布，液滴凝结后倾向于离开疏水区域，确保该区域始终处于液滴较少的状态，保持较高凝结换热系数。本技术的不足，采用两层套管的技术方案，明显增加了管壁厚度以及附加的两层管壁之间的接触热阻，降低传热系数；另外，该技术需要进行亲/疏水处理，工艺复杂，成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种强化冷凝换热的椭圆管。

本实用新型提供的技术方案如下：一种强化冷凝换热的椭圆管，其特征在于其包括圆管与椭圆型冷凝管，椭圆型冷凝管两端连接圆管，椭圆型冷凝管上沿轴向设置若干个均匀分布并垂直于轴线的环状沟槽。

进一步地，所述的环状沟槽的截面呈半圆形，上开口宽0.5—2.0mm,槽深0.5—2.5mm。

进一步地，所述的圆管段与环状沟槽之间以及相邻的环状沟槽之间的椭圆型冷凝管表面呈抛物线形曲面凸起。

进一步地，所述的圆管长度为20—100cm。

本实用新型沿换热管轴线设置垂直于轴线的半圆形沟槽以及相邻沟槽之间凸起表面呈抛物形曲面。所述椭圆管下沿的环状沟槽间距与环状沟槽间的表面形状分别等于Taylor理论中汽—液界面波长和气—液界面的形状，即环状沟槽处于波谷位置，波峰处于相邻沟槽之间表面抛物形的顶点位置。由此，椭圆换热管下沿构成为Taylor汽—液界面波的波面形状。

本实用新型的原理及作用如下：对于冷凝换热过程，液膜的厚度是决定换热性能的关键因素。加速排液速度，是减薄液膜厚度的方法。根据流体力学Rayleigh-Taylor不稳定理论的分析：密度不同的两种流体叠加情况下，当密度大的流体在上面，密度低的流体在下面时，此状态是高势能的不稳定状态，会向低势能的稳定状态发展。Rayleigh-Taylor不稳定性会有几个发展阶段：线性发展阶段,弱线性发展阶段，非线性发展阶段，与之相应的气-液界面形状经历了正、余弦形状，不同波数余弦叠加形状，最终形成液膜顶点在下的抛物面形状，液体由顶点处滴落。此时界面形成连续波纹状，每个波纹的间距为Rayleigh-Taylor临界波长长度，其临界波长内的气-液面形状为抛物线形状。结果是每个波纹的波谷处的液膜减薄，液体迅速向波峰处聚集，随着波峰处液体聚集数量的增加，在重力的作用下，液体克服了粘性和表面张力的作用，向下滴落；随着液滴的脱落，椭圆管下沿处附着的液体与蒸汽之间的界面很快恢复成水平状态。在不稳定性作用下，界面再一次趋向形成多个抛物形曲面组成的波状界面，即波谷处液体又一次向波峰处聚集，波峰的液体产生滴落。周而复始，实现换热管表面液体的滴落。显然，椭圆换热管下沿表面液体由水平状态到形成Rayleigh-Taylor界面波的抛物面形状需要经历几个发展阶段。为了缩短Rayleigh-Taylor界面波形成时间，加快排液速度，充分利用Rayleigh-Taylor不稳定性的作用，于是将换热管表面设计成Taylor界面波的形状。具体做法：一方面，根据相邻波之间的距离等于Rayleigh-Taylor波长的特点，在临界波长的两端处设置环状沟槽，令该处的液膜减薄，形成波谷，另外一方面，根据Taylor波界面为抛物状特点，将表面设计成抛物线形。由此，换热管表面一旦出现液体膜，就会快速形成Rayleigh-Taylor波抛物形界面，促使凝结液体快速向波峰处聚集，在重力作用下向下滴落。最终导致换热管表面液膜厚度减薄，强化冷凝换热系数。经典圆管的Rayleigh-Taylor临界波长计算公式如下：

其中，

该公式适用圆管条件，在椭圆管情况下，系数需要重新确定，经过多次可视化试验，发现Taylor波长与椭圆管的相当圆管直径有关，（实验条件：工质水，冷凝温度为40℃），实验结果如下：

为此，对椭圆管条件下的Taylor波长的计算公式中的系数a进行了修正，并根据实验结果将其进行了数学拟合，所得公式如下：

根据理论计算，Taylor波界面为多个高次谐波组成的的抛物形，为此，将椭圆换热管的沟槽之间的表面加工成为抛物线形，通过计算以及考虑加工条件，其外形的方程为：

本实用新型的有益效果是：

本实用新型克服冷凝液体在表面张力和粘性作用下不易脱离管体，而滞留在换热管底部形成较大的淹没区，增加了液膜厚度，降低椭圆管冷凝换热系数的问题。

依照Rayleigh-Taylor不稳定理论在椭圆管设置的环状沟槽与抛物形曲面可以加速冷凝液于椭圆管底部的抛物形曲面顶点处聚拢。由此提高了液滴的滴落速度，达到减薄液膜厚度，实现提高冷凝换热系数的目的。

为了更好理解Taylor不稳定性的作用，图3显示了经典的圆冷凝管的Taylor波长与汽-液界面的形状示意图。其中4—冷凝圆管；5—汽—液界面；6—Taylor波长；7—液滴。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为经典的圆冷凝管的Taylor波长与汽-液界面的形状示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明：

如图1-图2所示，一种强化冷凝换热的椭圆管，椭圆管可为铜及铜金，碳钢、不锈钢以及其合金材料，其包括圆管3与椭圆型冷凝管1，椭圆型冷凝管1两端连接圆管3，便于与端板相连接，其长度为20—100cm。

椭圆型冷凝管1上沿轴向设置若干个均匀分布并垂直于轴线的环状沟槽2；环状沟槽2的截面呈半圆形，上开口宽0.5—2.0mm,槽深0.5—2.5mm。相邻环状沟槽2中心线的间距λ（Taylor临界波长），根据以下公式计算：

其中：

λ—沟槽间距，m；

--表面张力，N/m；

g—重力加速度，m/s2

—液体密度,kg/m3；

—汽体密度,kg/m3；

a—系数,无量纲；其值可根据下面公式计算：

其中：d —无量纲管径，m/m，即，椭圆管相当圆管直径与单位长度的比值。

圆管3与环状沟槽2之间以及相邻的环状沟槽2之间的椭圆型冷凝管1表面呈抛物线形曲面凸起，抛物线形状可通过如下公式计算：

其中：

y—抛物线曲面凸起的坐标值，m；

x—沿椭圆管轴线坐标值，0≦X≦λ，m；

λ—沟槽之间的间距(上述计算的Taylor临界波长)，m；

h—抛物形的最大高度值，m，其数值为：

d—椭圆管相当直径与单位长度的比值，无量纲。

利用d=16mm的圆管3，设置垂直于轴线的环状沟槽。对管外的水蒸汽进行冷凝，冷 凝温度为40℃。水蒸汽密度

=0.051kg/m3，水的密度

=992.18kg/m3，表面张力

= 0.069N/m，无量纲系数a=548.2×0.016-5.41=3.36，重力加速度g=9.80m/，根据公式

计算，相邻环状沟槽距离为λ=8.95mm，其形线公式

计算，顶点高 度为h=0.56mm。按照所述形状加工模具，通过水压机配合模具的方法将其加工成为所述形 状的椭圆管。实际工况中，椭圆管内通过冷水，对管外的水蒸汽进行冷凝，冷凝温度为40℃, 本实用新型的椭圆管的冷凝换热系数比常规椭圆管的换热系数提高12%左右。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分都属于现有技术。以上的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种强化冷凝换热的椭圆管，其特征在于其包括圆管（3）与椭圆型冷凝管（1），椭圆型冷凝管（1）两端连接圆管（3），椭圆型冷凝管（1）上沿轴向设置若干个均匀分布并垂直于轴线的环状沟槽（2）。

2.根据权利要求1所述的一种强化冷凝换热的椭圆管，其特征在于所述的环状沟槽（2）的截面呈半圆形，上开口宽0.5—2.0mm,槽深0.5—2.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种强化冷凝换热的椭圆管，其特征在于所述的圆管（3）与环状沟槽（2）之间以及相邻的环状沟槽（2）之间的椭圆型冷凝管（1）表面呈抛物线形曲面凸起。

4.根据权利要求1所述的一种强化冷凝换热的椭圆管，其特征在于所述的圆管（3）长度为20—100cm。

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