CN103528416B - 一种高性能倒齿鳍片管及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高性能的倒齿鳍片管及其加工方法，在鳍片的圆周方向上，按一定规律折弯一定比例的开齿鳍片，使折弯后的鳍片与鳍片原所在的圆周面成一定夹角，这样折弯后的鳍片对烟气起了较强的扰流作用，该方法不但提高了开齿鳍片侧面与烟气接触面之间的流动速率，使烟气流动达到更强的扰流状态；同时保持在原来位置的开齿鳍片，由于折弯鳍片的存在，也使烟气更容易达到湍流状态，这样就有效减薄了烟气边界层厚度。用上述方法制造出来的高性能倒齿鳍片管在实验装置上对其进行性能测试，相关数据表明，该方法可以提高烟气的对流换热系数约30%。对于烟气流速相对较低的受热面而言，传热效果的改善更为显著。

Description

一种高性能倒齿鳍片管及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种高性能倒齿鳍片管及其加工方法，属于工业余热利用、节能减排领域。

背景技术

相关资料表明：我国的单位生产值能耗约为世界平均水平的2倍左右，这其中固然有产业结构比例的影响，但更深层次的原因是我国的能源利用效率、能源利用水平低于世界先进水平；工业能耗的高占比现状一方面与产业技术水平、工艺流程等因素相关，同时也与工业余热利用的水平及规模联系密切。据统计，我国有接近50%的工业能耗没有被利用，而是以各种形式的余热直接排放掉，我国余热资源平均回收利用率落后于国际先进水平近20个百分点。

鳍片管技术在余热利用中具有特殊的重要地位，由于余热介质的温度通常不高，决定了在余热利用过程中高低温热源之间的温差相对较低，在换热系数难以大幅提升的前提下，要实现预期的换热效果通常只有提升换热面积，而这样的选择会受到场地空间及设备成本的限制。鳍片管技术在很大程度上解决了上述矛盾，它在增加换热面积、提升换热功率的同时，并使占用空间及成本可以控制在一个合理的范围内，因此该技术被广泛应用于余热利用领域。

如果在工业余热利用中，通过新技术的改进以提高鳍片管的换热性能，那么就可以有效减少余热利用装置的换热面积，从而达到降低成本、增加余热利用效率等目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题：在传统开齿鳍片的基础上，提供一种高性能倒齿鳍片管及其加工方法，该技术提供一种新型鳍片管结构，其通过改变部分开齿鳍片的折弯度，以达到增加流体扰流、提高换热系数、减少余热利用面积等目的。

本发明的技术解决方案是：一种高性能的倒齿鳍片管的加工方法，该倒齿鳍片管的加工方法利用管子、开齿扁钢和锥形齿轮加工出正常鳍片和折弯鳍片，折弯鳍片即倒齿鳍片，通过特殊的工艺流程方法，使倒齿鳍片与正常鳍片实现间隔排列；所述的特殊的工艺流程方法具体如下：开齿扁钢为用来加工鳍片的材料，在开齿扁钢的一侧开有不同深度、不同间距的缝隙，形成一定宽度和高度的齿片，以满足不同的倒齿鳍片管需求，锥形齿轮用来实现倒齿功能，它带有一定的锥度以适应倒齿鳍片的加工需求；锥形齿轮上每个齿的宽度通常小于开齿扁钢上鳍片的开齿宽度，同时锥形齿轮齿间距必须与开齿扁钢上的开齿宽度成倍数关系，当锥形齿轮上的两齿中心距离等于开齿扁钢鳍片上齿间距的二倍时，在锥形齿轮与开齿扁钢压触的过程中就会形成间歇性倒齿的加工效果，然后再把加工后的开齿扁钢直立绕制在管子的表面，并且使相邻两圈鳍片之间的间距满足设计要求；在上述绕制的过程中，加工后的开齿扁钢根部与管子通过特殊工艺焊接在一起，这样就加工成了高性能倒齿鳍片管。

其中，根据工艺流程的不同，也可以先把未倒齿的开齿扁钢按照设计的要求焊接在管子上，制成传统的螺旋翅片管，然后再用锥度齿轮按前述工艺对齿片进行间歇性倒齿的操作，不论上述哪种流程，最终都能达到制造高性能倒齿鳍片管的最终目标。

本发明另外提供一种高性能的倒齿鳍片管，该倒齿鳍片管是利用上述的一种高性能的倒齿鳍片管的加工方法加工出来的。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明通过特殊工艺方法使传统开齿鳍片形成间歇性倒齿的效果，增强鳍片与烟气之间的扰流，减薄流动边界层，从而达到增强传热效果的目标。相关的理论模拟及试验结果表明，该方法可以提高开齿鳍片管的传热系数约30%；因此采用高性能倒齿鳍片管可以大量节省余热利用装置的换热面积；

（2）、基于上述发明思想，设计出特殊的高性能倒齿鳍片管加工工艺：该工艺以现有的鳍片管加工工艺为基础，以特殊的锥形齿轮为工具，通过流程控制等方法形成间歇型倒齿的效果；该工艺流程具有加工工艺改动少、加工效率高等显著优点，可以满足高性能倒齿鳍片管规模化、工业化应用的要求。

附图说明

图1为传统开齿鳍片管；

图2为一种高性能倒齿鳍片管；

图3为倒齿鳍片加工示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

在余热利用领域，对于传统的环形开齿鳍片或螺旋开齿鳍片，沿管壁一周的鳍片基本在同一个平面内（虽然螺旋鳍片在沿管长方向上的有所改变，但变化的幅度很小）；由于流动边界层的存在，使烟气等余热介质对鳍片的冲刷不充分，从而影响到整个***的换热效果。本发明通过工艺创新，使鳍片的部分开齿在垂直于烟气的流动方向上规律性地发生折弯，这样可以增加烟气的扰动，减薄边界层，达到增加换热系数的目的。

本发明的原理在于：以开齿鳍片管在烟气中的换热过程为例，对高性能倒齿鳍片管的工作原理进行详细描述如下：为了达到最好的换热效果，开齿鳍片管通常布置在烟气流的垂直平面上，由于开齿鳍片是沿管子的周向并垂直于管子焊接，这就使同一圈鳍片所在的圆周面几乎平行于烟气流动方向。当烟气流经管束时，在开齿鳍片的表面两侧会形成边界层，在边界层内部，烟气流动为有规律的层流，热量的传递主要靠烟气的导热来实现，这样就会降低开齿鳍片的传热性能。根据烟气流速、组份等因素的不同，烟气流动可以主要分为层流和湍流两种状态，对于湍流，边界层相对较薄，烟气对鳍片的换热效果相对较好，而对于层流区，由于边界层较厚，烟气对鳍片的换热存在较高热阻。由有上述分析可以看出：对于传统型的开齿鳍片，由于鳍片沿圆周方向与烟气流动方向几乎平行，因此在鳍片表面存在较厚的边界层，由此会降低鳍片的传热性能。

为了改变鳍片的上述传热特性，本发明提供一种高性能的倒齿鳍片管：也即在鳍片的圆周方向上，按一定规律折弯一定比例的开齿鳍片，使折弯后的鳍片与鳍片原所在的圆周面成一定夹角。这样折弯后的鳍片对烟气起了较强的扰流作用，该方法不但提高了开齿鳍片侧面与烟气接触面之间的流动速率，使烟气流动达到更强的扰流状态；同时保持在原来位置的开齿鳍片，由于折弯鳍片的存在，也使烟气更容易达到湍流状态，这样就有效减薄了烟气的边界层厚度。用上述方法制造出来的高性能倒齿鳍片管在实验装置上对其进行性能测试，相关数据表明，该方法可以提高烟气的对流换热系数约30%。对于烟气流速相对较低的受热面而言，传热效果的改善更为显著。

根据鳍片高度、鳍片间距、开齿宽度等参数的不同，倒齿鳍片的折弯角可以有不同的选择；同样不同的弯齿间隔（隔一个齿折弯一个齿、隔多个齿折弯一个齿、或隔多个齿折弯多个齿等）也同样会影响到倒齿鳍片管最终的换热特性。在该技术应用于工程实践时，需要根据换热及流动特性的要求、在试验的基础上进行上述参数的选择与设计。

如图1、图2、图3所示，本发明包括管子1、正常鳍片2、折弯鳍片3、开齿扁钢4、锥形齿轮5等。图1为正常的开齿鳍片管，图2为本发明一种高性能倒齿鳍片管，在本示例中通过特殊的工艺方法，使倒齿鳍片与正常鳍片实现间隔排列。

以上述倒齿鳍片管为基础，对其加工流程进行如下描述（见图3）。图3中的扁钢4为用来加工鳍片的材料，在扁钢4的一侧开有不同深度、不同间距的缝隙，形成一定宽度和高度的齿片，以满足不同的鳍片管需求。齿轮5是用来实现倒齿功能的一种特殊工具，它带有一定的锥度以适应倒齿鳍片的加工需求。锥度齿轮5上每个齿的宽度通常小于扁钢上鳍片的开齿宽度，同时齿间距必须与扁钢4上的开齿宽度成倍数关系。当锥度齿轮5上的两齿中心距离等于扁钢鳍片上齿间距的二倍时，在齿轮5与开齿扁钢4压触的过程中就会形成间歇性倒齿的加工效果。然后再把加工后的扁钢4直立绕制在管子1的表面，并且使相邻两圈鳍片之间的间距满足设计要求；在上述绕制的过程中，加工后的开齿扁钢4根部与管子1通过特殊工艺焊接在一起，这样就加工成了高性能倒齿鳍片管。

根据工艺流程的不同，也可以先把未倒齿的开齿扁钢4按照设计的要求焊接在管子上，制成传统的螺旋翅片管，然后再用锥度齿轮5按前述工艺对齿片进行间歇性倒齿的操作。不论上述哪种流程，最终都能达到制造高性能倒齿鳍片管的最终目标。

高性能倒齿鳍片管在用于余热回收设备时，弯齿部分不但增加了与烟气介质的接触流速，还对烟气形成了较强的扰流。从而达到减小鳍片及管子表面烟气边界层厚度、增强传热效果等目的。

相关的实验结果表明，相同结构、相同面积的高性能倒齿鳍片管比传统的开齿鳍片管，传热系数提高接近30%。高性能倒齿鳍片应用于余热利用的工程设计时，可以节省换热设备材料，达到降低成本、增加热回收率等目的。并且该技术可以通过对传统鳍片制造工艺的改装快速实现；近年来，在我国逐步重视余热回收、节能减排的社会大背景下，该技术应用前景非常光明。

与上述结构类似的鳍片管结构，比如折弯角度不同、折弯的形状改变、弯齿的间隔改变、带有一定扭转度的折弯等，都属于本发明专利的保护范畴，都认为是对本专利的侵权。

Claims (2)

1.一种高性能的倒齿鳍片管的加工方法，其特征在于，该倒齿鳍片管的加工方法利用管子(1)、开齿扁钢(4)和锥形齿轮(5)加工出正常鳍片(2)和折弯鳍片(3)，折弯鳍片(3)即倒齿鳍片，通过特殊的工艺流程方法，使倒齿鳍片与正常鳍片实现间隔排列，所述的特殊的工艺流程方法具体如下：开齿扁钢(4)为用来加工鳍片的材料，在开齿扁钢(4)的一侧开有不同深度、不同间距的缝隙，形成一定宽度和高度的齿片，以满足不同的倒齿鳍片管需求，锥形齿轮(5)用来实现倒齿功能，它带有一定的锥度以适应倒齿鳍片的加工需求，锥形齿轮(5)上每个齿的宽度通常小于开齿扁钢(4)上鳍片的开齿宽度，同时锥形齿轮(5)齿间距必须与开齿扁钢(4)上的开齿宽度成倍数关系，当锥形齿轮(5)上的两齿中心距离等于开齿扁钢(4)鳍片上齿间距的二倍时，在锥形齿轮(5)与开齿扁钢(4)压触的过程中就会形成间歇性倒齿的加工效果，然后再把加工后的开齿扁钢(4)直立绕制在管子(1)的表面，并且使相邻两圈鳍片之间的间距满足设计要求；在上述绕制的过程中，加工后的开齿扁钢(4)根部与管子(1)焊接在一起，这样就加工成了高性能倒齿鳍片管。

2.根据权利要求1所述的一种高性能的倒齿鳍片管的加工方法，其特征在于，根据工艺流程的不同，也可以先把未倒齿的开齿扁钢(4)按照设计的要求焊接在管子上，制成传统的螺旋翅片管，然后再用锥度齿轮(5)按前述工艺对齿片进行间歇性倒齿的操作，不论上述哪种流程，最终都能达到制造高性能倒齿鳍片管的最终目标。