CN102636073B - 一种可以产生纵向涡的换热元件及其元件对 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可以产生纵向涡的换热元件及其元件对，属于强化换热领域。该元件由肋和换热表面组成；上述肋的形状为正方形截面的螺旋状柱体，它是通过以下方式得到：设过初始正方形中心的直线为主轴线，将主轴线外一点绕该主轴线顺时针匀速旋转角度α并沿主轴线前进长度L得到一条螺旋线，螺旋线半径为r；将上述初始正方形沿该条螺旋线正交拉伸长度L，即可得到一个螺旋柱体；该元件所产生的纵向涡旋的质量要好，与不连续交叉肋相比，换热效果和同功耗强化换热性能都明显提高。

Description

一种可以产生纵向涡的换热元件及其元件对
技术领域
本发明涉及一种可以产生纵向涡的换热元件及其元件对，属于强化换热技术领域。
背景技术
自从进入二十一世纪，能源问题已经成为制约我国经济发展的瓶颈。我国工业产品的能耗却远高于工业发达国家，故提高能源利用率和节能是解决我国能源问题的最有效途径。绝大部分的能源利用都是通过热能和各种换热器来实现的，而强化传热可以提高传热设备的热性能、降低传热温差和减少泵功耗，因此强化传热对于节能和提高能源利用率起到关键作用。
根据对象和条件的不同，人们研发了各种各样的强化传热技术，其中纵向涡强化传热技术就是其中一种。当流体横越过某障碍物时，往往会在障碍物的背面空间产生回旋，这些涡旋有利有弊。如果障碍物的横向尺寸有限，并且与来流的流体相交成合适的角度，则产生的涡旋将不会滞留于某一空间内，而会随主流向前运动，从而形成一系列的有序纵向涡旋，即纵向涡。这些纵向涡旋的强烈运动，促进了主流区与传热壁面附近的流体间的动量和能量的交换，强烈的扰动对边界层起到减弱或破坏作用，因而使传热增强。总之，采用纵向涡传热强化技术，是一种更有效的提高换热器的传热效率的途径。
近年来有很多国内外学者进行了纵向涡强化传热技术的研究，李晓伟在其博士论文中提到了一种新型不连续交叉肋板片，其数值分析和流动显示实验表明，该肋片板间产生了包括前纵向涡、后纵向涡及主纵向涡等一系列纵向涡，揭示了其强化换热的物理机制，比目前常用的人字形板片同功耗换热强化25%以上。他还用数值计算和流动显示实验方法对肋参数对流动和换热的影响进行了分析，给出了不连续交叉肋板片的最佳结构参数。
经以上可以分析出，该交叉肋加工方便，可以产生高质量的纵向涡旋，且强化换热效果比较好，目前是一种较先进的纵向涡强化换热扰流元件，然而其同功耗换热指标尚有大幅的上升空间。在大多数强化传热的过程中都存在这样一个问题：换热效果越好，压力损失就越大，采用纵向涡传热强化技术亦是如此。如何在提高换热系数的同时尽量使压力损失增长较小，即提高其同功耗强化换热指标，是提高换热器整体效能的关键。由此可见，有必要提出一种新的纵向涡旋产生元，这种元件的几何外形可在不连续十字交叉肋的基础上加以改进，而换热效果要明显好于传统的不连续交叉肋，而且同功耗换热性能也要大幅提高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的纵向涡旋扰流元件，这种元件所产生的纵向涡旋的质量要好，与不连续交叉肋相比，换热效果和同功耗强化换热性能都明显提高。
该元件是一种可以产生纵向涡的用于强化换热的元件，该元件的形状为正方形截面的螺旋状柱体。设过初始正方形中心的直线为主轴线，将主轴线外一点绕该主轴线顺时针匀速旋转角度α并沿主轴线前进长度L得到一条螺旋线，螺旋线半径为r；将上述初始正方形沿该条螺旋线正交拉伸长度L，即可得到螺旋柱体；上述螺旋线即是螺旋柱体的轴线。该换热元件的参数有效范围为α/L在10～60之内，单位为度/mm，设定拉伸终止时的正方形与初始正方形相同，则α须为90°的整数倍；肋凸出换热表面的高度与肋高之比e在0.25～1之内；上述肋与流体来流方向所成攻角β在0°～90°范围内。上述换热元件凸起于换热表面内部，且换热表面与上述主轴线平行。
根据所述的可以产生纵向涡的强化换热元件所形成的元件对，其特征在于：它由两个上下交叠的强化换热元件组成，整体形式为十字交叉式。
新型的强化换热元件的总体效果要显著好于传统的直肋，在有效α/L、e、β内，同功耗强化换热指标提高范围为30%～40%。新型强化换热元件的换热效果和压力损失情况如下：α/L在10～60之内，单位为度/mm,为保证旋转终止时的正方形截面与初始正方形复位，α为90°的整数倍，同一流速下随α/L的增加，流体掠过该肋后压力损失降低而换热系数波动不大，故同功耗强化换热指标增大；α/L越大增长率越小，当α/L为60时，增长趋势近于水平。凸起比例e的有效参数范围为0.25到1，在有效参数范围内随e增大，压力损失迅速增大，换热系数也略有增加，而e越小，同功耗强化换热指标越高,e小于0.25后，同功耗强化换热指标增长非常缓慢。有效β参数范围为0～90°，随β增大，换热系数波动较小，压力损失增大，尤其当β超过30°后急剧增大；β=30°时同功耗强化换热指标值最优。
流体掠过该新型换热元件后，速度方向发生旋转偏移，引发了二次流动；基于该换热元件的螺旋特性，且出现了大小不一的纵向涡旋。这些纵向涡旋的强烈运动，破坏并削薄了热边界层和速度边界层，强化了主流区与边界层区流体之间的动量和能量交换，改善了对流换热的速度场和热流场的协同程度，故换热效果明显提高。
附图说明
图1是螺旋柱体生成示意图；
图2是单壁面螺旋柱体几何形状图；
图3是十字交叉后的螺旋肋俯视图；
图4是十字交叉后的螺旋肋对在矩形通道内的放置示意图。
图中标号名称：1．肋原始拉伸截面，2．螺旋线，3．螺旋肋，4．平板换热表面，5．矩形通道，6．螺旋肋对，7．流体进口，8．流体出口。
具体实施方式
参照附图1，详细介绍了单螺旋肋的构造思路。将正方形[1]沿着该螺旋线[2]正交拉伸为一个螺旋状的柱体[3]。螺旋线由轴线外一点以该直线为轴心顺时针匀速旋转角度α前进肋长度L得到。在L=9mm的条件下，有效α参数为90°、180°、270°、360°、450°、540°。同一流速下随α增加，流体掠过该肋后压力损失降低而换热系数波动不大，故同功耗强化换热指标增大；α越大增长率越小，当α为540°时，增长趋势近于水平；α=540°比α=90°时同功耗强化换热指标增大了8%。
参照附图2，详细介绍了单螺旋肋[3]的几何外形以及在换热表面[4]上的放置位置。肋凸起于换热表面，凸肋与流体来流方向呈一定角度β，以凸肋与流体来流方向一致时为0°，在肋所在换热表面逆时针旋转。有效β参数范围为0~90°，随β增大，换热系数波动较小，压力损失增大，尤其当β超过30°后急剧增大；经计算后β=30°时同功耗强化换热指标最好。凸起比例e的有效参数范围为0.25到1，随e增大，压力损失增大，换热系数也略有增加，而e越小，同功耗强化换热指标越高。
参照附图3，详细介绍了两个新型强化换热元件上下错列十字交叉时的俯视平面图。两个螺旋肋上下错列十字交叉，倾斜方向相反，分别嵌入上、下换热内表面。
参照附图4，详细介绍了可以产生纵向涡的螺旋肋对[6]。经对单肋的流场分析，可知，流体掠过单肋后产生了垂直于壁面的速度矢量，可产生大于180°的涡旋。当两个新型肋呈十字交叉后，即可产生不断前进着的纵向涡旋。将该螺旋肋对置于矩形通道[5]内，流体从左侧流入[7],掠过该肋对后由右侧流出[8]。当流体流过该螺旋肋对后，产生轴心与流体流动方向一致的涡旋，流场与不连续十字交叉肋所形成的流场类似，但更为复杂，大漩涡中包含着小漩涡，并可以影响到下游很广的区域。该新型换热元件肋对与传统不连续十字交叉直肋相比，压力损失提高了35.3%，换热系数提高了29.4%，同功耗强化换热指标提高了17%。

Claims (2)

1.一种可以产生纵向涡的强化换热元件，其特征在于：
由肋和换热表面组成；
上述肋的形状为正方形截面的螺旋状柱体，它是通过以下方式得到：设过初始正方形中心的直线为主轴线，将主轴线外一点绕该主轴线顺时针匀速旋转角度α并沿主轴线前进长度L得到一条螺旋线，螺旋线半径为r；将上述初始正方形沿该条螺旋线正交拉伸长度L，即可得到一个螺旋柱体；螺旋线为螺旋柱体的轴线；上述α为90°的整数倍，且 α/L在10～60之内，单位为度/mm；
上述肋嵌于所述换热表面内，且换热表面与上述主轴线平行；上述肋凸出换热表面的高度与肋高之比e在0.25～1之间；上述肋与流体来流方向所成攻角β在0°～90°范围内。
2.根据权利要求1所述的可以产生纵向涡的强化换热元件所形成的元件对，其特征在于：它由两个上下交叠的强化换热元件组成，整体形式为十字交叉式。
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