CN114087909B - 一种自振动内插折弯挠曲形翅片复合烟管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管，包括光管和两个半幅翅片；半幅翅片包括基管和多个翅片，基管的外壁与光管内壁紧密贴合；翅片设置在基管的内壁上，翅片的自由端偏离翅片与基管的连接端，两个半幅翅片的截面关于光管的圆心呈中心对称，半幅翅片的横截面形状和面积不变；基管的两端有配合接口，基管通过配合接口组成一个整圆；每个翅片之间平行，越远离中心面的翅片长度越短，最大程度实现了垂直于管中心截面温度场的均匀性；与同尺寸的光管相比，换热面积增大了3.5倍以上，换热系数是同流速下光管的3倍以上，综合换热能力是光管的10倍以上，可极大减小烟管型换热器的尺寸，实现高效紧凑换热和减碳节能。
Description
技术领域
本发明属于管内强化换热技术领域，具体涉及一种自振动内插折弯挠曲形翅片复合烟管。
背景技术
管内强化换热技术主要分为光管外辊压内凸螺纹扰流强化、内插扰流子强化、内插翅片扩 展受热面强化等3大类。管外辊压螺纹扰流强化应用最为广泛，在光管外表面辊压并使管内表 面凸起螺纹，形成螺纹烟管，但仅破坏内壁面层流边界层，强化能力有限，换热性能仅能提升 50％～100％左右。内插扰流子强化管的换热性能可以提升100％以上，但烟气阻力也会大幅度 增加，得不偿失，使用较少。可见不管是辊压螺纹扰流强化、内插扰流子强化只是扰流，并不 增加换热面积。而内插翅片扩展受热面强化可以同时扩展管内的换热面积，并提高管内的换热 系数，与光管相比换热性能可提升6倍以上，具有最强的管内换热强化能力，相同换热量下的 烟气流动阻力与光管相当，是一种极有发展前途的低阻高效传热元件。
管内冲刷的烟管广泛应用于多种换热设备，例如锅壳式燃气锅炉、烟管式蒸发器、烟管式 节能器、钢管式空气预热器等。目前常用的螺纹烟管在经济尺寸下只能实现50℃～80℃的出 口换热端差，烟气中仍有大量的热量未能被有效利用。若采用强化换热元件后，可以在经济尺 寸条件下实现10℃～20℃的换热端差，节约2％～10％的燃料，助力国家倡导的低碳节能。
皓欧股份公司申请的授权号为CN106370042B的专利，热交换管及具有这种热交换管的 采暖锅炉采用相对于翅片截面纵向中心线轴对称结构的平直形内插挤压铝翅片，左右两侧的内 翅片均为相对于翅片截面纵向中心线的轴对称结构，或镜像轴对称结构，管中心存在着沿左右 对称轴间断分布的高温区；最高的内翅长度小于半径，翅化比受制于挤压工艺的限制，最高只 能达到5～6。吉林省电力有限公司四平供电公司申请的CN202660955U实用新型，在光管上 附加截面为梯形的螺纹，本质上是螺纹烟管的螺纹放大结构，仅破坏内壁层流边界层，强化能 力有限。市场上需要一种强化换热能力更强的内翅片烟管，用以替代传统光管烟管、辊压螺纹 烟管、内插扰流子强化烟管、平直形内插挤压铝翅片烟管，并追求阻力保持不变或更小，且造 价提升较少。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种自振动内插折弯挠曲形翅片复合烟管， 采用弯折挠曲翅片增加翅化率，依靠翅片之间的配合消除沿左右轴对称分布的高温区，将翅片 外流通空间的气流纵向冲刷的强化换热和合翅片横向自振动引起的表面气流横向冲击射流强 化进行有机结合，其强化换热性能比螺纹烟管提高6倍以上，完成相同换热量时的流动阻力与 辊压螺纹烟管相同，但换热长度仅有螺纹烟管的1/8，增加换热段长度后，可使出口换热端差 小于20℃。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管，包 括光管和两个半幅翅片；半幅翅片包括基管和多个翅片，基管的外壁与光管内壁紧密贴合；翅 片设置在基管的内壁上，翅片的自由端偏离翅片与基管的连接端，两个半幅翅片的截面关于光 管的圆心呈中心对称，半幅翅片的横截面形状和面积不变；基管的两端有配合接口，基管通过 配合接口组成一个整圆；每个翅片之间平行，越远离中心面的翅片长度越短，相邻两个翅片的 间距相等。
光管采用金属材料，半幅翅片采用挤压铝材料、铸铁、铸镍基高温合金、高分子聚合物； 半幅翅片与光管之间采用过盈配合方式装配。
翅片采用折翅，折翅包括翅根和翅顶，翅根与基管连接；翅根中心线与其所处圆切线的夹 角α1为45～135°；翅顶的中心线与翅根中心线之间的夹角α2小于90°；从折翅根部到翅顶， 折翅的厚度逐渐降低；翅根、翅顶中心线长度之和大于基管的内半径。
翅片采用挠曲形翅，挠曲形翅截面的中心线为曲线；从根部至自由端，折翅的翅厚越薄； 挠曲形翅的中心线与基管相交处记为起点，与顶端相交处记为终点，起点、终点处的切线相交 形成的锐角β小于45°。
沿着烟气流动方向，翅片表面设置波浪凸起或树杈凸起；波浪凸起的波峰与波谷之间距离 小于平均翅片厚度的30％，波长为平均翅片厚度的20％～100％；树杈凸起的高度为同一半幅 翅片上的相邻翅片之间距离的10％～50％，宽度为翅片厚度的50％～150％。
根据工质性质和使用条件设置翅片的长度；当工质密度大、流速高且携带颗粒物时，两个 半幅翅片上的翅片自由端所在面之间设置间隙，留出工质中心走廊；当工质密度大、流速高且 未携带颗粒物时，两个半幅翅片上的翅片的自由端均延伸至端光管的中面上，消除沿中轴分布 的烟气走廊；当工质密度小、流速低且未携带颗粒物时，一个半幅翅片的翅片的顶端伸入另一 个半幅翅片管的相邻翅片之间。
沿着两个半幅翅片的纵向长度方向上间隔100～300mm开设扰流孔。
扰流孔中设置扰流杆，扰流杆穿过基管和翅片。
半幅翅片与光管之间过盈配合，所述配合接口处设置半圆形接头、配合凹槽、接头斜面、 凹槽斜面、接头平面和配合平面，半圆形接头、接头斜面、接头平面位于一个半幅翅片端部， 配合凹槽、凹槽斜面和配合平面位于另一个半幅翅片端部。
半幅翅片与光管之间采用过盈配合方式装配，先将半幅翅片外表面、光管内表面的锈蚀除 去，再将两片半幅翅片组合，最后将两片半幅翅片推入光管中；为确保半幅翅片与光管装配的 成功率，
中心对称内插挤压铝翅片烟管用于高烟温区域烟温大于750℃时，将入口段100mm～ 300mm部分翅片切除，切除后的翅片高度为5mm～15mm，靠近入口的翅片高度低，远离入口 的翅片高度高。
用于高烟温区域烟温大于750℃时，将入口段100mm～300mm长的部分翅片切除，切除 后的翅片高度为5mm～10mm，将切除部分设置一个堵头，消除中心烟气走廊，将烟气压迫至 翅片的根部。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、本发明的一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管与同尺寸的光管相比，换热面积增大了 3.5倍以上，消除了中心高温区，换热系数是同流速下光管的3倍以上，综合换热能力是光管 的10倍以上。
2、本发明的一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管的，可适用于0.01t到50t之间各种容量 的锅炉，根据容量的大小调整烟管的根数和长度，易于大规模加工生产组装；用于冷凝式热水 锅炉时可将烟气冷凝至水露点以下，锅炉效率提升至103％以上；用于冷凝式蒸汽锅炉时可使 排烟温度降低至60℃以下，锅炉效率提升至100％以上。
3、本发明的一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管用于石油化工领域加热/冷却管内工质 时，体积为传统管壳式/套管换热器的30％以内，极大地缩小了加热/冷却设备的占地空间。
4、本发明的一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管的内翅片采用非平直的挠曲、弯折、折 叠等非对称设计，内翅之间相互交错，显著提高了翅化比，消除了中心高温区，利用自振动引 起的横向流动，破坏烟气边界层，综合换热性能强于传统的轴对称内翅烟管。
进一步的，沿着两个半幅翅片的纵向长度方向上隔100～300mm的间距设置扰流杆，扰流 杆进一步扰动烟气，不仅破坏烟气边界层，强化换热；烟气流通横截面上的烟气高温区，迫使 烟气向两侧基管进行周期性压缩和膨胀移动，实现多机制有机结合的强化换热效果。
进一步的，半幅翅片与光管之间过盈配合，所述配合接口包括半圆形接头、配合凹槽、接 头斜面、凹槽斜面、接头平面和配合平面，半圆形接头、接头斜面、接头平面位于一个半幅翅 片端部，配合凹槽、凹槽斜面和配合平面位于另一个半幅翅片端部；在装配过程中半圆形接头 与配合凹槽先接触，半圆形接头在挤压力下变形，随后接头斜面、凹槽斜面接触，随着半圆形 接头的不断变形，接头平面、配合平面之间的距离越来越小。
附图说明
图1a是一种可实施的烟管的截面示意图，图1b是图1a的***分解图，图1c是半幅翅片 2的示意图。
图2是一种可实施的折翅的截面示意图。
图3a是一种可实施的挠曲形翅的截面示意图，图3b是一种可实施的挠曲形翅的截面示意 图。
图4是一种可实施的折翅添加波浪凸起的截面示意图。
图5是一种可实施的挠曲形翅添加树杈凸起的截面示意图。
图6a是本发明一种可实施的翅片不超过烟管中面的横截面示意图；图6b是本发明一种翅片相互穿插的横截面示意图。
图7a是本发明一种可实施的扰流杆安装孔的示意图，图7b是本发明设置扰流杆时的截面 示意图。
图8是本发明一种配合接口的截面示意图。
图9是本发明一种切除部分入口段翅片的剖面示意图。
图10是本发明一种切除部分入口段翅片并增设堵头的局部剖示意图。
附图中，1-光管，2-半幅翅片，3-基管，4-配合接口，41-半圆形接头，42-配合凹槽，43-接 头斜面，44-凹槽斜面，45-接头平面，46-配合平面，5-翅片，51-折翅，511-翅根，512-翅顶， 52-挠曲形翅，6-堵头，7-扰流孔，71-扰流杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细说明。
参考图1a、图1b和图1c，一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管，包括光管1、半幅翅片 2组成；两个半幅翅片2截面的对称中心为光管1的圆心，将一片半幅翅片2绕光管1的圆心 旋转180°后可以与另一片半幅翅片2完全重合；半幅翅片2的外表面与光管1的内表面紧密 贴合；所述半幅翅片2包括基管3和多个翅片5，由二维图形拉伸得到，与拉伸方向垂直的所 有截面均相同；基管3的两端设置配合接口4，两片半幅翅片2通过配合接口4组成一个整圆；翅片5位于基管3的内表面，翅片5采用折翅51或挠曲形翅52；所有翅片5之间平行设 置形成工质通道，越接近上下两端的翅片5长度越短；翅片5所在的中心线距相邻的非同一半幅翅片2的翅片5的中心线的距离相等。
半幅翅片2采用挤压铝及其合金材料,其他任何可挤压、冲压、锻压的金属或非金属材料， 其他任何可铸造的金属或非金属材料，其他任何可焊接或粉末冶金成形的金属材料；光管1可 采用任何金属材料。
作为可选的实施例，半幅翅片2采用挤压铝材料、铸铁、铸镍基高温合金、高分子聚合物， 应用于低温腐蚀性气体时，表面镀塑、喷漆、阳极氧化处理，提高抗腐蚀能力。
如图1a、图1b所示，本发明一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管，包括光管1、半幅翅 片2组成；两个半幅翅片2的对称中心为光管1的圆心，将一片半幅翅片2绕光管1的圆心旋 转180°后可以与另一片半幅翅片2完全重合；所述半幅翅片2由基管3、配合接口4、多个翅 片5组成，由二维图形拉伸得到，与拉伸方向垂直的所有截面均相同；基管3的两端有配合接 口4，两片半幅翅片2通过配合接口4组成一个整圆；所有翅片5之间平行，越接近上下两端 的翅片5长度越短；翅片5所在的中心线距相邻的非同一半幅翅片2的翅片5的中心线的距 离相等；如图1c所示，最长的折翅5-1的长度为L，光管1的内直径为d，2*L>d，同样最长的挠曲形翅5-2的长度乘2也大于光管1的内直径d。
如图2所示，所述折翅5-1由与基管3连接的翅根511和翅顶512；翅根511中心线与其 根部圆的切线之间的夹角α1为45～135°；翅顶512的中心线与翅根511中心线之间的夹角α2 为0～90°；折翅51距基管3越远的部分翅厚越薄；翅根511中心线长度h1、翅顶512中心线 长度h2之和大于基管3的内半径。
如图3a和图3b所示，所述挠曲形翅52截面的中心线为曲线，折翅52距基管3越远的部 分翅厚越薄；挠曲形翅52的中心线与基管3相交处记为起点，与顶端相交处记为终点，起点、 终点处的切线相交形成的锐角β为0～45°；图3a为单波型，图3b为双波型。
沿着烟气流动方向，翅片5表面设置波浪凸起或树杈凸起。如图4所示，所述波浪凸起的 波峰与波谷之间距离小于平均翅片厚度的30％，波长为平均翅片厚度的20％～100％。
如图5所示，所述树杈凸起的高度为同一半幅翅片2上的相邻翅片5之间距离的10％～ 50％，宽度为翅片厚度的50％～150％。
如图6a所示，当工质密度大、流速高、携带颗粒物时，两半幅翅片2的翅片5的顶端相 离，最高的翅片51的总高度h小于基管3内半径，留出中心走廊，减少工质对翅片51的磨损，当工质温度高于半幅翅片2材料熔点时，也可以避免翅片51自由端烧损；如图6b所示，当工质密度小、流速低、未携带颗粒物时，半幅翅片2的翅片5的顶端伸入另一半幅翅片2的相邻翅片5之间，最高的翅片51的总高度h大于基管3内半径，增大换热面积，破坏翅片51 之间的中心高温区，强化换热；图1到图5的两半幅翅片2的翅片5的顶端位于同一面，此时 最高的翅片51的总高度h等于基管3内半径，在强化换热与减少磨损之间取平衡。
如图7a所示，沿着两个半幅翅片2的纵向长度方向上隔100～300mm的间距从单面基管 钻削加工穿过所有翅片5的扰流孔7，以实现气流流经纵向分布的小孔导致涡流，使烟气强化 换热，同时，使不同的翅片5之间的烟气流通，调整气流的不均匀流动；如图7b所示，在扰 流7处***扰流杆71，使流经扰流杆71前、后的气流产生不断压缩和膨胀，这种气流的压缩 和膨胀不仅强化垂直于翅片壁面的横向振动射流冲击换热，进一步扰动烟气，不仅破坏烟气边 界层，强化换热；而且气流横向冲刷扰流杆71产生卡门涡街，可引起与扰流杆71相连的弯折 挠曲翅片的振动传递，增强横向强化换热。
如图8所示，所述配合接口4处设置半圆形接头41、配合凹槽42、接头斜面43、凹槽斜 面44、接头平面45和配合平面46，半圆形接头41、接头斜面43、接头平面45位于一个半幅翅片2端部，配合凹槽42、凹槽斜面44和配合平面46位于另一个半幅翅片2端部；在装配 过程中半圆形接头41与配合凹槽42先接触，半圆形接头41在挤压力下变形，随后接头斜面43、凹槽斜面44接触，随着半圆形接头41的不断变形，接头平面45、配合平面46之间的距 离越来越小。半圆形接头41的变形裕量，使得两半幅翅片2即使有部分正偏差，无法直接塞 入光管1中，也能通过半圆形接头41的变形而装配成功。
如图9所示，所述中心对称内插翅片烟管用于高烟温区域烟温大于750℃时，将入口段 100mm～300mm长的部分翅片5切除，切除后的翅片5高度为5mm～15mm，靠近入口的翅片高度低，远离入口的翅片高度高，沿着工质流向，翅片5的高度逐渐增高至不变。
如图10所示，所述中心对称内插翅片烟管用于高烟温区域烟温大于750℃时，将入口段 100mm～300mm长的部分翅片5切除，切除后的翅片5高度为5mm～10mm，将切除部分填上一个堵头6，消除中心烟气走廊，将烟气压迫致翅片5的根部，使烟气温度迅速降低至750℃ 以下。
本发明的一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管，采用一种非平直的、折弯、挠曲形的非对 称结构，替代传统的平直形内翅片对称结构，每根翅片均为悬臂梁结构，只需要轻微的烟气扰 动就会使每根翅片产生垂直于翅片纵向壁面的非平衡力诱导的气流横向自振动，实际烟气纵向 冲刷流动过程中沿折弯挠曲形翅片纵向壁面两侧始终存在着不规则的湍流横向扰动，因此每个 翅片的受力不平衡现象始终存在，翅片的自振动会一直存在；翅片振动的过程会扰动表面的烟 气，引发局部烟气产生垂直于烟气流动方向的高速横向射流冲击强化换热，破坏翅片表面的烟 气边界层，大幅度强化换热；非平直的、挠曲的非对称结构的内翅片长度可以显著地突破管内 半径长度的限制，实现翅片的相互对插，最长的内翅片的长度大于管内半径，使翅片的极限翅 化比增加到9～10，极大地增加管内换热面积，使这种非平直的、弯折、挠曲形的非对称结构 的内翅片复合烟管获得极限的强化换热系数。
Claims (9)
1.一种自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，包括光管（1）和两个半幅翅片（2）；半幅翅片（2）包括基管（3）和多个翅片（5），基管（3）的外壁与光管（1）内壁紧密贴合；翅片（5）设置在基管（3）的内壁上，翅片（5）的自由端偏离翅片（5）与基管（3）的连接端，两个半幅翅片（2）的截面关于光管（1）的圆心呈中心对称，半幅翅片（2）的横截面形状和面积不变；基管（3）的两端有配合接口（4），基管（3）通过配合接口（4）组成一个整圆；每个翅片（5）之间平行，越远离中心面的翅片（5）长度越短，相邻两个翅片（5）的间距相等；翅片（5）采用折翅（51），折翅（51）包括翅根（511）和翅顶（512），翅根（511）与基管（3）连接；翅根（511）中心线与其所处圆切线的夹角α1为45～135°；翅顶（512）的中心线与翅根（511）中心线之间的夹角α2小于90°；从折翅（51）根部到翅顶（512），折翅（51）的厚度逐渐降低；翅根（511）、翅顶（512）中心线长度之和大于基管（3）的内半径；
或翅片（5）采用挠曲形翅（52），挠曲形翅（52）截面的中心线为曲线；从根部至自由端，折翅（52）的翅厚越薄；挠曲形翅（52）的中心线与基管（3）相交处记为起点，与顶端相交处记为终点，起点、终点处的切线相交形成的锐角β小于45°；所述配合接口（4）处设置半圆形接头（41）、配合凹槽（42）、接头斜面（43）、凹槽斜面（44）、接头平面（45）和配合平面（46），半圆形接头（41）、接头斜面（43）、接头平面（45）位于一个半幅翅片（2）端部，配合凹槽（42）、凹槽斜面（44）和配合平面（46）位于另一个半幅翅片（2）端部。
2.根据权利要求1所述的自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，光管（1）采用金属材料，半幅翅片（2）采用挤压铝合金、挤压铜合金、热拔钢合金、铸铁、铸镍基高温合金、高分子聚合物；半幅翅片（2）与光管（1）之间采用过盈配合方式装配。
3.根据权利要求1所述的自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，沿着烟气流动方向，翅片（5）表面设置波浪凸起或树杈凸起；波浪凸起的波峰与波谷之间距离小于平均翅片厚度的30%，波长为平均翅片厚度的20%～100%；树杈凸起的高度为同一半幅翅片（2）上的相邻翅片（5）之间距离的10%～50%，宽度为翅片厚度的50%～150%。
4.根据权利要求1所述的自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，根据工质性质和使用条件设置翅片（5）的长度；当工质密度大、流速高且携带颗粒物时，两个半幅翅片（2）上的翅片（5）自由端所在面之间设置间隙，留出工质中心走廊；当工质密度大、流速高且未携带颗粒物时，两个半幅翅片（2）上的翅片（5）的自由端均延伸至端光管（1）的中面上，消除沿中轴分布的烟气走廊；当工质密度小、流速低且未携带颗粒物时，一个半幅翅片（2）的翅片（5）的顶端伸入另一个半幅翅片（2）的相邻翅片（5）之间。
5.根据权利要求1所述的自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，沿着两个半幅翅片（2）的纵向长度方向上间隔100～300mm开设扰流孔（7）。
6.根据权利要求5所述的自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，扰流孔（7）中设置扰流杆（71），扰流杆穿过基管（3）和翅片（5）。
7.根据权利要求1所述的自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，半幅翅片（2）与光管（1）之间过盈配合。
8.根据权利要求1所述的自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，中心对称内插挤压铝翅片烟管用于高烟温区域烟温大于750℃时，将入口段100mm～300mm部分翅片（5）切除，切除后的翅片（5）高度为5mm～15mm，靠近入口的翅片高度低，远离入口的翅片高度高。
9.根据权利要求1所述的自振动内插折弯曲翅片复合烟管，其特征在于，用于高烟温区域烟温大于750℃时，将入口段100mm～300mm长的部分翅片（5）切除，切除后的翅片（5）高度为5mm～10mm，将切除部分设置一个堵头（6），消除中心烟气走廊，将烟气压迫至翅片（5）的根部。
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Application publication date: 20220225 Assignee: Rosen Boiler Co.,Ltd. Assignor: XI'AN JIAOTONG University Contract record no.: X2024980000928 Denomination of invention: A composite smoke pipe with self oscillating interpolation, bending, and bending fins Granted publication date: 20221025 License type: Common License Record date: 20240119 |
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