CN107367184A - 一种管内外胀式螺旋波节管 - Google Patents

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李炳熙
陈鑫
张亚宁
王维
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Abstract

一种管内外胀式螺旋波节管，它涉及传热装置领域。本发明为解决现有强化换热管的结构引起管内外流动局部阻力增加较大、综合换热性能提升不明显的问题。本发明包括中空管体，中空管体的外圆周侧壁上设有螺旋波节通道，螺旋波节通道在中空管体的外圆周侧壁上沿长度方向呈螺旋状均匀排列，螺旋波节通道的横截面为中部沿径向方向外凸的弧形。本发明用于强化换热技术。

Description

一种管内外胀式螺旋波节管
技术领域
本发明涉及传热装置领域，具体涉及一种管内外胀式螺旋波节管。
背景技术
强化换热技术广泛应用于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、供暖、食品和制冷等领域中，而所应用的典型装备包括换热器、空调、化学反应设备以及制冷设备等。气-气(汽)换热器作为实现工业部门高温废气余热回收的重要装备，其强化换热技术的应用使得传统的气-气(汽)换热器逐渐向高效型、紧凑型发展，并且衍生出丰富的结构类型。三大类型强化换热技术中的被动强化换热，在不损失额外能耗的前提下能够有效的提高设备传热效率、减小设备尺寸以及降低其成本，而双边被动强化换热技术任何工况下无非是一种更好的手段，尤其在传热元件两侧的对流传热系数都较低的情况。因此开发双边被动强化换热技术的高效换热元件有重要的实际意义。
管壳式换热器是应用较为广泛的换热设备，而光管由于加工方便，成本较低，在管壳式换热器中应用最为广泛。但由于其换热面积较小，换热能力较差，因此如何强化光管换热效果一直是十分主流的研究方向。在光管内加翅片是一种有效的强化换热手段，这常应用于空气压缩机中的冷换热器中。对不同形状的内翅片，人们已从实验和数值计算的角度进行了很多的研究。在国外，对波纹形通道的研究较多，均发现波纹形通道的换热能力比平直通道的要好，但对波纹形管道的研究却不多。在国内已有学者对波节管强化传热式换热器进行了研究，发现采用波节管作为换热表面的换热器综合性能有显著的提高。
现有的强化换热管的强化传热方法主要有在管内***纽带或喷嘴等内插件结构，或通过物理、化学等方式来增加管壁表面粗糙度，或将管内或管外加工成肋片的结构等。除此之外，还有将管壁加工形成异型管，有波纹结构、波节结构及螺旋结构等。现有的异型管用于套管式换热管可以达到强化换热的效果，但这些强化方法一部分强化了管内的换热效果，并没有考虑管壳侧的强化协同；另一部分达到了强化了管内外的换热效果，但是大幅度增加两侧的流动阻力，增加了泵的功耗，同时也增加了噪音。为此，研发出一种双侧强化换热并能降低流动阻力使得综合换热性能高的新型套管式换热管型是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决现有强化换热管的结构引起管内外流动局部阻力增加较大、综合换热性能提升不明显的问题，进而提出一种管内外胀式螺旋波节管。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种管内外胀式螺旋波节管包括中空管体，中空管体的外圆周侧壁上设有螺旋波节通道，螺旋波节通道在中空管体的外圆周侧壁上沿长度方向呈螺旋状均匀排列，螺旋波节通道的横截面为中部沿径向方向外凸的弧形。
本发明与现有技术相比包含的有益效果是：
1、本发明通过设置具有螺旋状通道迫使管内管外流体整流，同时产生涡旋流和径向旋转流，增强双侧流体的换热效果，有效降低管内外流动阻力的产生，实现综合换热性能的提升；
2、螺旋波节管管壁处的具有一定深度的螺旋状通道，流体在波节处形成强度不同、大小不等的旋涡，旋涡使凸起部位的层流介质受到附加的扰动，变成紊乱的湍流状态。旋涡改变了流体的流动结构，增加了近壁区流体的湍流度，减小了层流底层热阻，提高了流体与壁面间的对流换热系数。另外，近壁面的涡旋周期地抛出流体并从主流中引入补充流体，构成了近壁面流体与主流之间的质量和能量交换。螺旋状通道可使管内外流体整体向前旋流，从而增强流体的径向混合，减小速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角，提高换热效果，同时管内整体旋流对二次流进行整流影响，阻力减小，综合换热效果提高突出；
3、螺旋波节管管内外形成的整体旋流，可有效抑制管壁结垢的产生，提高换热器的使用寿命及安全性能，特别适用于采用不洁净及易结焦换热工质的场合；
4、经过对管内外胀式螺旋波节管的实验研究发现，螺旋波节管对流换热系数增加了51％到95％，而阻力系数增加了36％到39％。应用综合换热系数PEC来对比外胀螺旋波节管与光管的换热效果，发现外胀式螺旋波节管的综合换热性能平均提高了55.92％。
附图说明
图1是本发明整体结构的剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种管内外胀式螺旋波节管包括中空管体1，中空管体1的外圆周侧壁上设有螺旋波节通道2，螺旋波节通道2在中空管体1的外圆周侧壁上沿长度方向呈螺旋状均匀排列，螺旋波节通道2的横截面为中部沿径向方向外凸的弧形。
如此设计螺旋波节通道2是一条螺旋于中空管体1内外凸结构通道，螺旋波节通道2通过液胀的方式形成于中空管体1，用于在流体经过时在中空管体1内形成旋流。
流体在螺旋波节通道2的波节处形成强度不同、大小不等的旋涡，旋涡使凸起部位的层流介质受到附加的扰动，变成紊乱的湍流状态。旋涡改变了流体的流动结构，增加了近壁区流体的湍流度，减小了层流底层热阻，提高了流体与壁面间的对流换热系数。另外，近壁面的涡旋周期地抛出流体并从主流中引入补充流体，构成了近壁面流体与主流之间的质量和能量交换。螺旋波节通道2可使中空管体1内外流体整体向前旋流，从而增强流体的径向混合，减小速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角，提高换热效果，同时中空管体1内整体旋流对二次流进行整流影响，阻力减小，综合换热效果提高突出。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述螺旋波节通道2在中空管体1的外圆周侧壁上沿逆时针方向旋绕设置。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
如此设计中空管体1中流体流经螺旋结构，可增加流体扰动，增大换热效果。同时，螺旋结构起到整流的效果，可让流体获得法相速度，形成旋转流，减小流动阻力，增加换热时长。综上所述，螺旋结构可提升换热管的综合换热性能。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述螺旋波节通道2的高度H为2.5mm。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式螺旋波节通道2的波节的节距P为30mm。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述螺旋波节通道2的横截面的圆弧半径R为5mm。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述螺旋波节通道2与中空管体1的连接处设有圆弧倒角。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四或五相同。
如此设计使螺旋波节通道2与中空管体1圆滑过渡连接，以减少对流体的阻力。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述螺旋波节通道2与中空管体1连接处的倒角半径r为8mm。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述中空管体1的内径d为20mm，中空管体1的壁厚δ为2.5mm。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、四、五或七相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述中空管体1为不锈钢管制作的中空管体。其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。
本实施方式中中空管体1为DN20的304无缝不锈钢管。
结合本实施方式中的参数设计，经过对管内外胀式螺旋波节管的实验研究发现，螺旋波节管对流换热系数增加了51％到95％，而阻力系数增加了36％到39％。应用综合换热系数PEC来对比外胀螺旋波节管与光管的换热效果，发现外胀式螺旋波节管的综合换热性能平均提高了55.92％。
工作原理
螺旋波节通道2是一条螺旋于中空管体1内外凸结构通道，螺旋波节通道2通过液胀的方式形成于中空管体1，用于在流体经过时在中空管体1内形成旋流。
流体在螺旋波节通道2的波节处形成强度不同、大小不等的旋涡，旋涡使凸起部位的层流介质受到附加的扰动，变成紊乱的湍流状态。旋涡改变了流体的流动结构，增加了近壁区流体的湍流度，减小了层流底层热阻，提高了流体与壁面间的对流换热系数。另外，近壁面的涡旋周期地抛出流体并从主流中引入补充流体，构成了近壁面流体与主流之间的质量和能量交换。螺旋波节通道2可使中空管体1内外流体整体向前旋流，从而增强流体的径向混合，减小速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角，提高换热效果，同时中空管体1内整体旋流对二次流进行整流影响，阻力减小，综合换热效果提高突出。

Claims (9)

1.一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：所述一种管内外胀式螺旋波节管包括中空管体(1)，中空管体(1)的外圆周侧壁上设有螺旋波节通道(2)，螺旋波节通道(2)在中空管体(1)的外圆周侧壁上沿长度方向呈螺旋状均匀排列，螺旋波节通道(2)的横截面为中部沿径向方向外凸的弧形。
2.根据权利要求1所述一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：所述螺旋波节通道(2)在中空管体(1)的外圆周侧壁上沿逆时针方向旋绕设置。
3.根据权利要求1或2所述一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：所述螺旋波节通道(2)的高度(H)为2.5mm。
4.根据权利要求3所述一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：螺旋波节通道(2)的波节的节距(P)为30mm。
5.根据权利要求4所述一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：所述螺旋波节通道(2)的横截面的圆弧半径(R)为5mm。
6.根据权利要求1、2、4或5所述一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：所述螺旋波节通道(2)与中空管体(1)的连接处设有圆弧倒角。
7.根据权利要求6所述一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：所述螺旋波节通道(2)与中空管体(1)连接处的倒角半径(r)为8mm。
8.根据权利要求1、2、4、5或7所述一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：所述中空管体(1)的内径(d)为20mm，中空管体(1)的壁厚(δ)为2.5mm。
9.根据权利要求8所述一种管内外胀式螺旋波节管，其特征在于：所述中空管体(1)为不锈钢管制作的中空管体。
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