CN104833256B - 管内复合强化传热元件及设有其的换热管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传热设备，具体提供一种管内复合强化传热元件及设有其的换热管。所述管内复合强化传热元件由周向圈、轴向杆、径向丝、斜向筋组成；所述轴向杆的两端固定在周向圈上，沿周向均匀分布；每根轴向杆只有一侧与相邻的轴向杆之间连接有斜向筋，另一侧不连接斜向筋；所述径向丝在所述元件的横截面的直径位置分布，其两端固定在相对应的两根轴向杆上。所述复合强化传热元件的传热强化幅度大，综合性能好，不需改变传热面形状，加工简单，能用于现有设备改造，也便于根据使用条件和传热强化目的来设计元件本身的结构参数。

Description

管内复合强化传热元件及设有其的换热管

技术领域

本发明涉及传热设备，具体地说，涉及管内复合强化传热元件及设有其的换热管。

背景技术

传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程，用来完成各种热传递过程的换热器是电力、冶金、化工、石油、制药、航空、电子等工业部门中应用相当广泛的单元设备之一。强化传热技术，由于其能使各种换热器的效率提高、重量和体积减少，一直受到科技界和工业界的重视。

中国专利CN1211633C公开了一种不连续双斜内肋强化换热管，即在换热管的内壁面形成许多不连续的、与基管轴线有一定夹角并向两个方向倾斜的条状凸起物——双斜内肋。管内流体在管壁上许多双斜内肋的作用下产生多纵向涡流，从而使对流换热得到强化。不连续双斜内肋强化换热管一般用普通圆管经过模压或辊轧成型，也可在轧制无缝管或焊接有缝管时成型，加工难度大，制造成本高，不能用于现有设备的改造，且强化传热的幅度有限。

中国专利CN1069964C公开了一种须毛状强化传热元件，在流体通道中设置一些垂直于流动方向的非常稀疏但热导率很高的须毛状***物，其强化传热的物理机制不是通常意义上的增大换热面积，而是通过须毛状***物的高导热能力来改变流体的温度分布，进而改善速度场与温度梯度场的协同，实现传热的强化。须毛状***物一般与管壁通过焊接方式连接，加工量很大，且易发生虚焊导致泄漏，难以用于现有设备的改造，且强化传热的幅度有限。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种传热强化幅度大，综合性能好，加工简单，能用于现有设备改造的管内复合强化传热元件，并解决现有技术中强化传热的幅度有限的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种管内复合强化传热元件，其由周向圈、轴向杆、径向丝、斜向筋组成；所述轴向杆的两端固定在周向圈上，沿周向均匀分布；每根轴向杆只有一侧与相邻的轴向杆之间连接有斜向筋，另一侧不连接斜向筋；所述径向丝在所述元件的横截面的直径位置分布(穿过换热管横截面的中心区域)，其两端固定在相对应的两根轴向杆上。

进一步地，所述斜向筋的轴线为直线、折线或曲线，所述轴向杆的轴线为直线；斜向筋轴线与轴向杆轴线之间成±(30～80)度的夹角，正号表示为右旋方向倾斜，负号表示为左旋方向倾斜。

作为优选，周向相邻斜向筋的方向为右旋和左旋相间。所述斜向筋可以对称布置，一个右旋斜向筋和一个周向相邻的左旋斜向筋组成一个涡流激发器；所述斜向筋也可以非对称布置，一个右旋斜向筋和一个周向相邻的左旋斜向筋组成一个涡流激发器。

进一步地，所述径向丝的轴线为直线，径向丝轴线与轴向杆轴线之间成85～95度的夹角；相邻两根径向丝的夹角为45～135度。

作为优选，径向丝轴线与轴向杆轴线之间成90度的夹角，相邻两根径向丝的夹角为85～95度。

本发明还提供一种设有前述元件的换热管，所述元件位于换热管内部，元件的轴向长度小于等于换热管的长度。所述复合强化传热元件可以整体制造成型，也可分段制造后组合成一个整体；周向圈、斜向筋、轴向杆通过焊接连接为一体，或铸造为一体，也可以通过其它方式连接为一体，例如塑料热加工；径向丝与轴向杆通过焊接和/或 捆扎连接为一体，也可以通过其它方式连接为一体，例如粘接。

周向圈的周向形状与换热管的横截面形状相同，一般为圆形，也可以是其它形状，例如矩形；外缘的周向轮廓线长度等于或略小于换热管横截面的内壁轮廓线长度；周向圈的横截面形状是下述各种中的任何一种或几种的组合：圆弧形、矩形、三角形、扇形、流线形以及由几段曲线和直线构成的任意形状。周向圈的法向高度一般不大于0.1d(d为换热管的内径或当量直径，下同)，优选0.04d～0.05d；横向宽度一般不大于0.2d。所用材料一般为金属，也可以是其它材料，例如塑料。

轴向杆的轴线与换热管轴线平行；横截面形状是下述各种中的任何一种或几种的组合：圆弧形、矩形、三角形、扇形、流线形以及由几段曲线和直线构成的任意形状。轴向杆的法向高度不大于0.1d，优选0.04d～0.05d，横向宽度不大于0.2d。所用材料一般为金属，也可以是其它材料，例如塑料。

斜向筋的横截面形状是下述各种中的任何一种或几种的组合：圆弧形、矩形、三角形、扇形、流线形以及由几段曲线和直线构成的任意形状。斜向筋的法向高度不大于0.22d，优选值为轴向杆法向高度的1.8～2.2倍；横向宽度一般不大于0.2d；轴向长度一般不大于2d；相邻两根斜向筋的轴向间距一般不大于2d，优选值为不大于d；所用材料一般为金属，也可以是其它材料，例如塑料。

径向丝的横截面形状是下述各种中的任何一种或几种的组合：圆弧形、矩形、三角形、扇形、流线形以及由几段曲线和直线构成的任意形状；长径比应尽可能大，一般应大于10，在通道中的体积填充率应尽可能小，最大不超过2％，长度略大于或等于换热管内径。

所述径向丝也可通过径向丝材料本身的弹性与换热管内壁直接接触；径向丝与换热管轴线的夹角一般为85～95度，优选值为90度；相邻两根径向丝的夹角为45～135度，一般为85～95度，轴向间距小 于4d，一般不大于相邻两根斜向筋的轴向间距；径向丝材料的导热系数需比流体的导热系数大得多，对于不同的流体可选择不同的径向丝材料，若流体导热性能较好(如液体)，则选导热性能好的金属材料，例如铜，若流体导热性能差(如气体)，则可选择导热性能稍差的材料，例如不锈钢。

(三)有益效果

本发明提供的复合强化传热元件，利用大量双斜向筋优化了管内流体的速度场，激发出对流动阻力影响较小的多纵向涡流，在热量传递方向产生速度分量，改善了速度场与温度梯度场之间的协同，从而实现同功耗下尽可能多的传热强化；长径比非常大、体积填充率非常小的径向丝凭借其高导热能力来优化流体的温度场，增大了壁面处的温度梯度，增加的流体阻力很小，从而改善管内速度场与温度梯度场之间的协同度，实现在尽可能少地增加流动阻力的前提下使传热得到强化；复合强化传热元件在***换热管后使换热管的当量直径减小，管内流体的平均流速增大，从而强化传热；如果元件与换热管内壁接触紧密，则可增大有效的换热表面面积。

复合强化传热元件的传热强化幅度大，综合性能好，不需改变传热面形状，加工简单，能用于现有设备改造，也便于根据使用条件和传热强化目的来设计元件本身的结构参数。

附图说明

图1为本发明所述复合强化传热元件的立体图；

图中，1：周向圈；2：轴向杆；3：斜向筋；4：径向丝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种管内复合强化传热元件，如图1所示，其由周向圈、轴向杆、径向丝、斜向筋组成；所述轴向杆的两端固定在周向圈上，沿周向均匀分布；每根轴向杆只有一侧与相邻的轴向杆之间连接有斜向筋，另一侧不连接斜向筋；所述径向丝在所述元件的横截面的直径位置分布，其两端固定在相对应的两根轴向杆上；所述轴向杆的数量为8。

所述斜向筋的轴线为直线，所述轴向杆的轴线为直线；斜向筋轴线与轴向杆轴线之间成±45度的夹角，正号表示为右旋方向倾斜，负号表示为左旋方向倾斜。

周向相邻的斜向筋为右旋和左旋方向相间。一个右旋斜向筋和一个周向相邻的左旋斜向筋组成一个涡流激发器。

所述径向丝的轴线为直线，径向丝轴线与轴向杆轴线之间成90度的夹角，相邻两根径向丝的夹角为90度。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：所述轴向杆的数量为12；斜向筋轴线与轴向杆轴线之间成±30度的夹角；径向丝轴线与轴向杆轴线之间成85度的夹角，相邻两根径向丝的夹角为95度。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：所述轴向杆的数量为16；斜向筋轴线与轴向杆轴线之间成±80度的夹角；径向丝轴线与轴向杆轴线之间成95度的夹角，相邻两根径向丝的夹角为85度。

实施例4-6

设有实施例1-3所述管内复合强化传热元件的换热管。

所示换热管的内径为d。

周向圈的周向形状与换热管的横截面形状相同，为圆形，周向圈 的横截面形状为圆形；法向高度为0.05d，横向宽度为0.1d；所用材料为金属铜。

轴向杆的横截面形状为圆形；法向高度为0.05d，横向宽度为0.1d；所用材料为金属铜。

斜向筋的轴线为直线，横截面形状为圆形；斜向筋的法向高度为轴向杆法向高度的2倍；横向宽度为0.1d；轴向长度为d；相邻两根斜向筋的轴向间距为0.5d；所用材料为金属铜。

径向丝的横截面形状为圆形；长径比为20，长度略大于或等于换热管内径，通过径向丝材料本身的弹性与换热管内壁接触；相邻两根径向丝的轴向间距为d；所用材料为金属铜。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种管内复合强化传热元件，其特征在于，其由周向圈、轴向杆、径向丝、斜向筋组成；所述轴向杆的两端固定在周向圈上，沿周向均匀分布；每根轴向杆只有一侧与相邻的轴向杆之间连接有斜向筋，另一侧不连接斜向筋；所述径向丝在所述元件的横截面的直径位置分布，其两端固定在相对应的两根轴向杆上。

2.根据权利要求1所述的元件，其特征在于，所述斜向筋的轴线为直线、折线或曲线，所述轴向杆的轴线为直线；斜向筋轴线与轴向杆轴线之间成右旋方向倾斜30～80度的夹角或左旋方向倾斜30～80度的夹角。

3.根据权利要求2所述的元件，其特征在于，周向相邻的斜向筋的方向为右旋和左旋相间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的元件，其特征在于，所述径向丝的轴线为直线，径向丝轴线与轴向杆轴线之间成85～95度的夹角；相邻两根径向丝的夹角为45～135度。

5.根据权利要求4所述的元件，其特征在于，径向丝轴线与轴向杆轴线之间成90度的夹角，相邻两根径向丝的夹角为85～95度。

6.设有权利要求1-5任意一项所述元件的换热管，其特征在于，所述元件位于换热管内部，元件的轴向长度小于等于换热管的长度，周向圈的周向形状与换热管的横截面形状相同。

7.根据权利要求6所述的换热管，其特征在于，所述元件中周向圈的法向高度不大于0.1d，横向宽度不大于0.2d；d为换热管的内径或当量直径。

8.根据权利要求7所述的换热管，其特征在于，所述元件中周向圈的法向高度为0.04d～0.05d。

9.根据权利要求7所述的换热管，其特征在于，所述元件中轴向杆的法向高度不大于0.1d，横向宽度不大于0.2d。

10.根据权利要求9所述的换热管，其特征在于，所述元件中轴向杆的法向高度为0.04d～0.05d。

11.根据权利要求7或9所述的换热管，其特征在于，所述元件中斜向筋的法向高度不大于0.22d；横向宽度不大于0.2d；轴向长度不大于2d。

12.根据权利要求11所述的换热管，其特征在于，所述元件中斜向筋的法向高度为轴向杆法向高度的1.8～2.2倍。

13.根据权利要求11所述的换热管，其特征在于，所述元件中相邻两根径向丝的轴向间距小于4d。