CN105571356A - 翼片/螺旋片组合式双管换热器 - Google Patents

翼片/螺旋片组合式双管换热器 Download PDF

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雷勇刚
景胜蓝
王飞
李亚子
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
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Abstract

一种翼片/螺旋片组合式双管换热器，属于换热强化和换热器领域，它包括外套管、内管，其特征是内管与外套管之间设置螺旋片，内管内腔设置内插片，内插片上设有三角翼，三角翼与内插片成<i>θ</i>角度，相邻两个三角翼分别位于内插片的上表面和下表面。本发明换热器环隙采用螺旋通道，并在内管内置带有三角翼的插片，不仅进一步减薄了内管各壁面的边界层，而且在内管内增强了流体扰动，形成二次流，大大强化了换热。因此本发明具有换热效率高，初投资少，相同换热量下泵功消耗低，结构紧凑，占地面积少，不易结垢，使用寿命长等特点。

Description

翼片/螺旋片组合式双管换热器
技术领域
本发明属于换热强化和换热器领域，主要应用于化工、环保、能源等行业的翼片/螺旋片组合式双管换热器。
背景技术
双管式换热器由于其结构简单，工作适应范围大，传热面积增减方便，两侧流体可提高流速，传热面两侧有较高的传热系数，因此广泛应用于超高压生产过程、激光机冷却、食品、化工及能源等行业中。双管式换热器分为内管和外管两部分，通过管壁进行热量交换。工业中普遍采用的由两种不同直径的管子套在一起组成同心套管的结构形式，该结构形式存在很多弊端，主要表现为：(1)金属耗量大；(2)由于管壁均为光滑管壁，因此流体呈层流状态，不利于换热；(3)流体在壁面形成的边界层大大影响了换热效果。
发明内容
本发明的目的在于提高换热效率，以高能行业换热设备的节能减排为出发点，基于温度场和速度场的协同原理。
一种翼片/螺旋片组合式双管换热器，包括外套管、内管，其特征是内管与外套管之间设置螺旋片，内管内腔设置内插片，内插片上设有三角翼，三角翼与内插片成θ角度，相邻两个三角翼分别位于内插片的上表面和下表面。
所述内插片设有三角孔。
所述θ角为10°~80°。
第一介质由外套管入口进入，经过外套管与内管及螺旋片之间形成的螺旋通道，最后由外套管出口流出；第二介质由内管入口进入，流经内插片由内管出口流出。
（1）在内管中交错布置的三角翼的内插片，流体流经三角翼时，其前后压差促使二次流形成，从而在三角翼的下游形成了与主流方向垂直的纵向涡，该流动结构增强了流体扰动，减薄了翅片表面的流体边界层，增强了温度和速度场的协同性，从而强化了换热；
（2）内外管环隙中设置螺旋片，流体在螺旋片的引导下，斜向冲刷内管外外壁面，内管外壁面的边界层进一步减薄，使得两种流体的换热大大增强；
由于螺旋片的作用，管内流体呈明显的螺旋流动，该流动结构引起管内流体的径向流动，从而促进主体流体和壁面边界层流体充分混合，减薄了管壁面的流体边界层。
与传统结构相比，本发明能使在相同的换热量下，换热面积减小15%，初投资钢材消耗量减少；总传热系数提高22%~26%。
在内插板的上下分别形成了纵向涡对，使得在垂直于流动方向的截面上形成了强烈的二次流。由于二次流在内管中形成了冲向内管管内壁壁面的径向流动，径向流动使得更多区域等温线与速度矢量接近垂直，也就是说局部的流速和温度梯度接近于平行，使得温度场和速度场的到更好协同，从而强化了传热。
总之，本发明换热效率高，结构简单，适用范围广，占地面积少、不易结垢。本发明广泛应用于石油化工和暖通空调行业，能够取得显著的节能效果，符合高能行业节能减排的需求，具有良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明的外套管示意图；
图2为本发明的内管示意图；
图3为本发明的内插片示意图；
图4为本发明的内插片另一方向示意图；
图5为本发明的螺旋片示意图。
图6为本发明的组装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1、图2、图3、图4,一种翼片/螺旋片组合式双管换热器，包括外套管1以及连接在内管2的螺旋片3，外套管1套在螺旋片3***。外套管1设有外管出口5，内管2的内腔设有内插片6。
内插片6等距离设有三角孔，三角孔10位置设有三角翼，三角翼分别位于内插片6的上表面和下表面，三角翼和下三角翼；三角翼与内插片6之间成θ角，相邻两个三角翼分别位于内插片6的上表面和下表面，即向内插片的不同方向冲出。
相邻两个三角孔之间的间距是0.2~2倍内管直径；
第一介质由外管入口4进入，经设置于环隙中的螺旋片3形成的螺旋通道，最后由外管出口5流出。第二种介质由内管入口8进入，流经内插片6由内管出口9流出。
本发明换热器环隙采用螺旋通道，并在内管内置带有三角翼的插片，不仅进一步减薄了内管各壁面的边界层，而且在内管内增强了流体扰动，形成二次流，大大强化了换热。
由于螺旋片的作用，管内流体呈明显的螺旋流动，该流动结构引起管内流体的径向流动，从而促进主体流体和壁面边界层流体充分混合，减薄了管壁面的流体边界层。
在内管内，流体在交替布置的三角翼的作用下，在内插板的上下分别形成了纵向涡对，使得在垂直于流动方向的截面上形成了强烈的二次流。由于二次流，在内管中形成了冲向内管管内壁壁面的径向流动，径向流动使得更多区域等温线与速度矢量接近垂直，也就是说局部的流速和温度梯度接近于平行，使得温度场和速度场的到更好协同，从而强化了传热。
介质由外管入口4进入，经设置于环隙中的螺旋片形成的螺旋通道，最后由外管出口5流出。
流体从内管入口8进入内管，由内管出口9流出。由于二次流，使流体在内管2中形成了冲向内管2管壁的径向流动，径向流动使得更多区域等温线与速度矢量接近垂直，也就是说局部的流速和温度梯度接近于平行，使得温度场得到更好协同，从而强化传热。
在内插片6上冲压出三角翼7，三角翼7与内插片6成一定角度θ，相邻两三角翼7分别向内插片的不同方向冲出，并相隔一定间距。
流体在交替布置的三角翼7作用下，在内插片6的上下分别形成了纵向涡对，使得在垂直于流动方向的截面上形成的强烈的二次流。
环隙中的螺旋片3形成的螺旋通道，流体沿螺旋片3形成螺旋流动，从而斜向冲刷内管壁，减薄内管外壁处的边界层。

Claims (8)

1.一种翼片/螺旋片组合式双管换热器，包括外套管（1）、内管（2），其特征是内管（2）与外套管（1）之间设置螺旋片（3），内管（2）内腔设置内插片（6），内插片（6）上设有三角翼（7），三角翼（7）与内插片（6）成θ角度，相邻两个三角翼（7）分别位于内插片的上表面和下表面。
2.根据权利要求1所述一种翼片/螺旋片组合式双管换热器，其特征是所述内插片（6）设有三角孔（10）。
3.根据权利要求1所述一种翼片/螺旋片组合式双管换热器，其特征是所述θ角为10°~80°。
4.根据权利要求1所述一种翼片/螺旋片组合式双管换热器，其特征是第一介质由外套管入口（4）进入，经过外套管（1）与内管及螺旋片（3）之间形成的螺旋通道，最后由外套管出口（5）流出；第二介质由内管入口（8）进入，流经内插片（6）由内管出口（9）流出。
5.根据权利要求1所述的翼片/螺旋片组合式双管换热器，其特征在于：流体沿螺旋片（3）形成螺旋流动，斜向冲刷内管内壁，减薄内管外壁的边界层。
6.根据权利要求1所述的翼片/螺旋片组合式双管换热器，其特征在于：流体在三角翼（7）作用下，在内插片（6）的上下分别形成了纵向涡对，使得在垂直于流动方向的截面上形成强烈的二次流。
7.根据权利要求1所述的翼片/螺旋片组合式双管换热器，其特征在于：二次流使流体在内管（2）中形成了冲向内管（2）管壁的径向流动，径向流动使得更多区域等温线与速度矢量垂直，使温度场得到更好协同，从而强化传热。
8.根据权利要求1所述的翼片/螺旋片组合式双管换热器，其特征在于：二次流使流体在内管（2）中形成了冲向内管（2）管壁的径向流动，局部的流速和温度梯度平行，使温度场得到更好协同，从而强化传热。
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