CN109612320B - 用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件及扰流管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于降低湍流雷诺数的扰流元件及扰流管，所述扰流元件包括至少两条平行设置的支撑杆及多块肋板；所述肋板固定于两个相邻的支撑杆之间，且与所述支撑杆保持一定的角度，各个肋板沿支撑杆的长度方向分散设置；所述支撑杆按照一定的螺旋率Y旋转成多周期的螺旋状，固定于所述支撑杆上的肋板随之旋转成弧形状。本发明通过倾斜肋板的诱导，在流体内产生高强度的纵向涡流，由于涡流旋转方向平行于管轴，提高了管内近壁区与核心流动区的混合程度，破坏了边界层的发展，提高了管壁的热流密度，进而有利于提升传热速率。本发明通过对流体的强化传热，可以降低管内流体的临界湍流雷诺数，进而显著提高管内流体在低雷诺数时的综合传热性能。

Description

用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件及扰流管

技术领域

本发明涉及换热器强化传热技术领域，尤其涉及一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件及扰流管。

背景技术

层流作为一种换热器中常见的流动工况，雷诺数较低，流体质点之间互不碰撞及互不混合，沿着管轴做有规则的平行流动。特别是高粘度流体，在许多工况下，都处于层流。光滑管作为一种常见的换热器用管型，应用层流传热时，对流体的扰动较小，传热速率较低；湍流相对层流的动量及热量交换更为强烈，因此，为了让提高传热效率，常规的做法是将层流转化为湍流。但要达到湍流，雷诺数需要达到4000以上，付出的功耗较大。

针对管内低雷诺数工况，工业上常常采用置换装置或扭带等强化元件来降低管内湍流临界雷诺数，促使管内流动状态提前达到湍流，提高管内混合能力及传热速率。但是，很多情况下，管内流场混合均匀度不够，涡流强度较低，摩擦阻力或形体阻力较大，管内传热速率提升幅度有限，等功耗下，综合传热性能不佳。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于降低湍流雷诺数的扰流元件及扰流管，该强化元件通过倾斜肋板的诱导，在流体内产生高强度的纵向涡流，由于涡流旋转方向平行于管轴，提高了管内近壁区与核心流动区的混合程度，破坏了边界层的发展，提高了管壁的热流密度，进而有利于提升传热速率。本发明通过对流体的强化传热，可以降低管内流体的临界湍流雷诺数，进而显著提高管内流体在低雷诺数时的综合传热性能。

为了实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种螺旋肋板强化传热元件，

一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，

包括至少两条平行设置的支撑杆及多块肋板；

所述肋板固定于两个相邻的支撑杆之间，且与所述支撑杆保持一定的角度，各个肋板沿支撑杆的长度方向分散设置；

所述支撑杆按照一定的螺旋率Y旋转成多周期的螺旋状，固定于所述支撑杆上的肋板随之旋转成弧形状。

作为优选，所述支撑杆为两条，所述肋板的两端分别固定于两个支撑杆上。

作为优选，所述肋板上设置有若干个用于降低肋板背风面回流漩涡的通孔。

作为优选，所述通孔为圆孔。

作为优选，在支撑杆旋转成螺旋状之前，各相邻肋板在支撑杆上平行分布。

作为优选，在支撑杆旋转成螺旋状之前，相邻肋板之间的交错角为15°～75°。

作为优选，在支撑杆旋转成螺旋状之前，各相邻肋板在支撑杆上成左右对称分布。

作为优选，所述螺旋率Y＝2～8。

作为优选，所述支撑杆与所述肋板之间的夹角为15°～75°。

本发明的另一个方面，提供一种扰流管，该扰流管包括管体及如上所述的扰流元件，所述扰流元件沿管体纵向内置于所述管体内，所述扰流元件通过其多周期的螺旋状结构及固定于螺旋状结构之间的弧形肋板，引导管体内的流体产生多个纵向涡的沿程接力。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明提供了一种带弧形肋板的螺旋结构的扰流元件，通过该扰流元件引导流体沿其流动方向产生多个纵向涡的沿程接力，可有效均化流场，提高进壁面的温度梯度，进而提高传热效率。本发明通过引导流体在扰流管内产生纵向涡的大尺度混合，相对横向涡扰流管混合能力更强，传热效率更高。

2)相对典型的扭带，由于纵向涡的沿程接力及螺旋肋板的开孔，部分流体通过圆孔与倾斜肋板后面的流体汇合，可以显著降低倾斜肋板背风面的回流漩涡，进而减小形体阻力，综合传热性能更好。

3)该强化元件加工方便，安装容易，可以用于新型换热器的设计及旧型换热器的升级，同时由于其引导流体产生涡流，可明显减少高粘度流体的管内结垢。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例1肋板前视图；

图2是本发明实施例1在旋转成螺旋状结构之前的侧视图；

图3是本发明实施例1在旋转成螺旋状结构之前的俯视图；

图4是本发明实施例1在旋转成螺旋状结构之后的立体结构示意图；

图5是本发明实施例1在旋转成螺旋状结构之后的前视图；

图6是本发明实施例1在旋转成螺旋状结构之后的俯视图；

图7是本发明实施例2在旋转成螺旋状结构之前的侧视图；

图8是本发明实施例2在旋转成螺旋状结构之前的俯视图；

图9是本发明实施例2在旋转成螺旋状结构之后的立体结构示意图；

图10是本发明实施例3在旋转成螺旋状结构之前的侧视图；

图11是本发明实施例3在旋转成螺旋状结构之前的俯视图；

图12是本发明实施例3在旋转成螺旋状结构之后的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

背景技术中提到，针对换热管内低雷诺数的工况，工业上常常采用置换装置或扭带等强化元件来降低管内湍流临界雷诺数，促使管内流动状态提前达到湍流，提高管内混合能力及传热速率。但是，很多情况下，管内流场混合均匀度不够，涡流强度较低，摩擦阻力或形体阻力较大，管内传热速率提升幅度有限，等功耗下，综合传热性能不佳。基于此，对本发明的具体实施方案做详细描述：

一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，包括若干肋板，以及用来固定肋板的两条相互平行的支撑杆，其中，如图1所示，肋板的两端分别固定于两个支撑杆上，且肋板上开有圆孔，肋板沿支撑杆的长度方向(即流体流动方向)分散布置，一般情况下，肋板可以平行布局(如图2)，也可以交叉布局(如图5)。肋板的高度H的取值范围为：H＝3～20mm，肋板的长度L的取值范围为：L＝10～40mm，相应的，圆孔直径D的取值范围为：D＝2～15mm，肋板的纵向与支撑杆的纵向之间的倾角a＝15°～75°，相邻两个肋板之间的距离P的取值范围为：P＝10～40mm。此外，支撑杆的直径d的取值范围为：d＝2～5mm，相邻肋板之间的交叉角为15°～75°。肋板与支撑杆整体固定成型后，按照螺旋率Y进行旋转，即得螺旋状的扰流元件，这里需要说明，螺旋率Y的取值范围为：Y＝2～8，螺旋率的定义为：支撑杆螺旋360°后的长度S与螺旋杆的宽度B(如图5及图6所示)之比。

下面结合上述实施方案的结构，列举3组螺旋肋板的结构参数组合方案，用于对本发明进一步进行描述，其中每个实施方案均需结合上述结构，并且本发明的实施方式不限于此，凡是对本发明实质做简单的修改或改变，都属于本发明技术方案的范围。另外，为了评价各个实施例的性能，定义综合传热性能为：

PEC＝(Nu/Nu₀)/(f/f₀)^(1/3)；

其中，PEC代表综合传热性能即性能评价标准(performance evaluationcriterion，PEC)，Nu₀和Nu分别代表光管和强化管的无量纲传热速率(即努赛尔数)，f₀和f分别代表光管和强化管的无量纲压降即摩擦因子，同功耗下，若PEC大于1，则说明综合传热性能相对光管得到提高，反之则没有提高。

实施例1

如附图1及图2所示，肋板的高度H＝4mm，长度L＝19mm，板厚t＝4mm，各个肋板在支撑杆上平行设置，肋板上分散的开有3个圆孔，圆孔直径D＝2mm，圆孔之间距离A1＝3.5mm，支撑杆与圆孔之间距离A2＝3mm，倾角a＝60°，节距P＝20mm，支撑杆直径为d＝2mm，螺旋肋板的扭率Y＝4。

其应用方法为：

将肋板固定于支撑杆上，按照螺旋率Y对固定有肋板的支撑杆进行螺旋，从而形成多周期螺旋的扰流元件(如图3、图4、图5及图6)。将该扰流元件内置于扰流管中，采用点焊的方法进行固定，方便拆装。使用中，流体从扰流管的一端进入，在扰流元件的诱导下，产生沿流体流动方向的纵向涡，涡流冲刷管壁，带动高温流体与低温流体的混合，减小了管内速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角，体积加权平均协同角低于光管中两者接近90°的夹角，提高了温度场与速度场的协同，相对光管，管内流体置换强度大大提高，减薄了边界层。由于扰流元件螺旋结构的周期性，纵向涡流反复形成，不易衰减，以较低的阻力在每个节距中间形成协同接力，从而获得较佳的传热速率。在常见工况下，与传统的光滑管相比，临界雷诺数低于1000，传热速率提高100％以上，同功耗下，综合传热性能PEC可达到2以上。

实施例2

如图7及图8所示，本实施例与实施例1不同的地方在于肋板在支撑杆上的布局存在差异，沿流动方向两相邻肋板的交叉角为60°，且两者反向排列，成左右对称，支撑杆带动肋板螺旋完毕后，其结构图如图9所示，其它结构同实施例1，应用方法亦同实施例1。

实施例3

如附图10、图11及图12所示，肋板的板高H＝6mm，长度L＝25mm，板厚t＝6mm，相邻肋板之间相互平行，且肋板上开有3个圆孔，圆孔的直径D＝3mm，相邻圆孔之间距离A1＝3.5mm，支撑杆与圆孔之间距离A2＝3mm，倾角a＝45°，节距P＝20mm，支撑杆直径为d＝2mm，螺旋肋板的扭率Y＝4。在常见工况下，与传统的光滑管相比，临界雷诺数低于1000，传热速率提高150％以上，同功耗下，综合传热性能达到2.5以上，其应用方法同实施例1。

本发明提供的扰流元件利用被螺旋为弧形的肋板与流体流动方向的倾角，在流场诱导产生纵向涡，再将肋板在支撑杆的固定下按照一定螺旋率螺旋，在倾角与螺旋的双重作用下，进一步提高纵向涡的强度和影响区域，在主流核心区与壁面区大幅度提高流体置换能力，加强流体质点碰撞，提高了流场与温度场的均匀程度，提升了管壁热通量。当然，该扰流元件不但适用于圆形通道，也适用于矩形通道。由于可以将湍流临界雷诺数降低，在较小的流速下，就可以获得较高的湍流度，因此该扰流元件不但适用于高粘度流体的低雷诺数流动，也适用于低粘度流体的低雷诺数流动。通过在流动方向布置若干个肋板及在肋板上开孔，主动调控阻力，从而在低雷诺数下，既保证大的传热速率，又能付出较小的流体功耗，从而在总体上可以获得低阻高效的强化综合传热性能。

上述仅为本发明的一个实施例而已，本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

此外，需要说明的是：

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，其特征在于，

包括至少两条平行设置的支撑杆及多块肋板；

所述肋板固定于两个相邻的支撑杆之间，且与所述支撑杆保持一定的角度，各个肋板沿支撑杆的长度方向分散设置；

所述支撑杆按照一定的螺旋率Y旋转成多周期的螺旋状，固定于所述支撑杆上的肋板随之旋转成弧形状；

所述支撑杆为两条，所述肋板的两端分别固定于两个支撑杆上；

所述肋板上设置有若干个用于降低肋板背风面回流漩涡的通孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，其特征在于，所述通孔为圆孔。

3.根据权利要求1所述的一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，其特征在于，在支撑杆旋转成螺旋状之前，各相邻肋板在支撑杆上平行分布。

4.根据权利要求3所述的一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，其特征在于，在支撑杆旋转成螺旋状之后，相邻肋板之间的交错角为15°～75°。

5.根据权利要求1所述的一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，其特征在于，在支撑杆旋转成螺旋状之前，各相邻肋板在支撑杆上成左右对称分布。

6.根据权利要求1所述的一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，其特征在于，所述螺旋率Y＝2～8。

7.根据权利要求1所述的一种用于降低湍流临界雷诺数的扰流元件，其特征在于，所述支撑杆与所述肋板之间的夹角为15°～75°。

8.一种扰流管，其特征在于，包括管体及如权利要求1-7中任一项所述的扰流元件，所述扰流元件沿管体纵向内置于所述管体内，所述扰流元件通过其多周期的螺旋状结构及固定于螺旋状结构之间的弧形肋板，引导管体内的流体产生多个纵向涡的沿程接力。