CN1211633C - 不连续双斜内肋强化换热管 - Google Patents
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Abstract
不连续双斜内肋强化换热管属于强化换热和换热器技术领域，其特征在于：管内壁面存在不连续的、与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；双斜内肋的法向高度等于或小于0.2d，周向宽度等于或小于0.5d，轴向长度等于或小于2d，d为基管水力内径；双斜内肋与基管轴线之间的夹角在±(30～85)度之间。不连续双斜内肋强化换热管对于湍流可提高换热系数(80～150)%，比换热效果很好的横槽管可高出30%，但流阻却小(20～50)%。不连续双斜内肋强化换热管具有强化换热作用显著、流阻小、成型简单、生产效率高的优点，同时双斜内肋附近不易产生回流、不存在流动死区，具有较好的抗结垢效果。
Description
技术领域
不连续双斜内肋强化换热管属于强化换热和换热器技术领域。
背景技术
管壳式换热器在石油、化工、动力等诸多领域有着广泛和大量的应用。管壳式换热器通常采用光滑圆形截面管，它具有制造工艺简单、安全性好、成本低等优点，但同时由于光滑圆形截面管的换热性能不够理想，使普通管壳式换热器存在着体积大、耗材多等不足。为了改变这种状况，人们发明了各种强化换热管代替普通圆管。基于壁面扰流和扩展表面强化的思路，近30年来已发展了许多对流换热强化元件。特别是通过辊制获得的表面粗糙换热管，在工程中得到了较为普遍和成功的应用，如螺旋槽管(spirally grooved tube)、横槽管(transverse grooved tube)和微翅管(micro fin tube)等。此外，管内插物如管内插扭曲带(twisted～tape inserts)、管内插弹簧丝等也有很多应用。这些换热管的共同缺点是流动阻力大，肋、翅或槽附近的回流区易结垢，加工效率较低，制造费用较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的强化换热管——“不连续双斜内肋强化换热管”，即在管内设置许多不连续的、与轴线有一定夹角且向两个方向倾斜的条状凸起——双斜内肋。在许多双斜内肋的作用下，流体在管内特别是在内壁面附近产生纵向涡流和/或其它方式的管内径向流动，从而能显著的强化换热。它符合“对流换热场协同原则”(Guo Z.Y，Mechanism and Control of Convective Heat Transfer-Coordination of Velocityand Heat Flow Field，Chinese Science Bulletin，46(7)：596～599 Apr.2001.)，即提高流体速度场和温度梯度场的协同程度就能在阻力增加较少的条件下较好地强化传热过程。根据对流换热场协同原则对管内流动和换热进行理论分析表明，纵向涡流是强化管内对流换热的有效方式。纵向涡流及管内径向流动通常能显著改善速度场与温度梯度场的协同程度，从而能较好地强化管内对流换热过程。本发明“不连续双斜内肋强化换热管”较螺旋槽管、横槽管、螺纹管和粗糙肋管在湍流和过渡区具有更好的强化换热效果和较低的阻力损失，较微翅管、螺纹管等具有不易结垢的特点，可以克服或弥补现有技术的不足。
本发明的特征在于：所述强化换热管的内壁面存在不连续的且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，即左旋方向斜内肋和右旋方向斜内肋，双斜内肋的法向高度等于或小于0.2d，周向宽度等于或小于0.5d，双斜内肋的轴向长度等于或小于2d且，d为基管水力内径；双斜内肋的轴线与基管轴线之间成±(30～85)度的夹角，正号表示为左旋方向倾斜，负号表示为右旋方向倾斜；
其特征在于：所述双斜内肋的轴线与基管轴线之间成±45度的夹角，正号表示为左旋方向倾斜，负号表示为右旋方向倾斜；
其特征在于：所述双斜内肋的横截面的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；
其特征在于：所述双斜内肋的轴线是下列各种中的任意一种或几种的组合：直线、折线、弧线、螺旋线以及曲线；
其特征在于：所述强化换热管的内壁面是下述各种中的任何一种或几种的组合：光滑表面、螺纹表面以及低肋表面；
其特征在于：所述强化换热管的外壁面是带槽的表面，或光滑表面，或螺纹表面，或低肋表面，或翅片表面；
本发明与现有技术相比，具有强化传热作用显著、流阻较小和成型简单等优点。实施例1～3与普通圆管相比，对于湍流一般可提高传热系数80％～150％，比传热效果很好的横槽管可高出30％，但它的流阻比横槽管小20％～50％；对于过渡区和层流对流换热，其强化换热效果也十分显著，换热增强甚至优于管内插扭曲带而阻力只有管内插扭曲带的40％～60％，从而具有十分重要的工程实际应用价值。此外，与横槽管、微翅管或螺纹管相比，本发明双斜内肋附近不易产生回流(横向涡流)，管内不存在流动死区，从而具有较好的抗结垢作用。
附图说明
图1、不连续双斜内肋强化换热管结构示意图；
图2、图1中的A～A剖面图；
图3、图2中B的局部放大图；
图4、另一种不连续双斜内肋强化换热管的部分周向展开结构示意图；
图5、又一种不连续双斜内肋强化换热管的部分周向展开结构示意图。
具体实施方式
不连续双斜内肋强化换热管，是在换热管的内壁面设置许多不连续的、与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。双斜内肋的法向高度一般不大于0.2 d，周向宽度一般不大于0.5d，轴向长度一般不大于2d(d为基管水力内径)；双斜内肋的轴线与基管轴线之间成±(30～85)度的夹角，正号表示为左旋方向倾斜，负号表示为右旋方向倾斜。所谓的“不连续”是相对于螺旋槽管(螺旋连续)、螺纹管(螺旋连续)、横槽管(周向连续)而言，是一种具有一定长度的粗糙元(条状凸起)。不连续双斜内肋强化换热管的制造方法可以用普通圆管或低肋管、螺纹管等经过模压或辊轧，也可在轧制无缝管时成形，还可在焊接有缝管时成形。管内流体在管壁上多个双斜内肋的作用下产生多个纵向涡流和/或其它二次流，且涡流和/或其它二次流主要集中在管壁面附近，从而对湍流换热和过渡区对流换热过程具有较好的强化效果。
实施例1：
图1是一种不连续双斜内肋强化换热管结构示意图。该管内侧具有不连续双向螺旋凸起(简称“不连续双向螺旋内肋”)，管外侧具有不连续双向螺旋槽。
图2为图1中的A——A剖面图。
图3为图2中B的局部放大图。
在图1和图2中，1为管内不连续双向螺旋肋，2为管外不连续双向螺旋槽；螺旋肋和螺旋槽是在加工中同时形成的。图1中的d为换热管的水力内径，L为单个双斜内肋的轴向长度，C为双斜内肋螺旋角。图3中，h为双斜内肋的法向高度，w为双斜内肋的周向宽度。L＝0.3d，h＝0.05d。C≈±45度，正值表示右旋、负值表示左旋。
实施例2：
图4是另一种不连续双斜内肋强化换热管的部分周向展开结构示意图。该管内侧具有不连续双向螺旋凸起(双斜内肋)，管外为光滑壁面。
图4中，3为不连续双向螺旋肋且对称布置；一个右旋斜肋与一个周向相临左旋斜肋组成一个涡流发生器；在同一横截面内沿周向有4个斜肋组成两个涡流发生器。图4的C为双斜内肋螺旋角，C≈±50度；正值表示右旋、负值表示左旋，此处C是右旋角。图4中，4为流体在不连续双向螺旋内肋的作用下在内壁面附近产生的纵向涡流示意。由于双斜内肋产生的纵向涡流主要存在于壁面附近，因而在湍流条件下具有较好的强化换热效果。不连续的而且有一定斜度的双斜内肋不易使流体产生横向涡流，同时它使管内流通面积减少不大，因而这种管子的流阻较螺旋槽、横槽和螺纹换热管小得多。此外，与横槽管、微翅管或螺纹管相比，本发明双斜内肋附近不易产生回流(横向涡流)，管内不存在流动死区，从而具有较好的抗结垢作用。
实施例3：
图5是又一种不连续双斜内肋强化换热管的部分周向展开结构示意图。该管内侧具有不连续双向螺旋凸起(双斜内肋)，管外侧具有不连续双向螺旋槽。
图5中，5为管内不连续双向螺旋肋且为不对称布置，6为管外不连续双向螺旋槽且为不对称布置；管内一个右旋斜肋与一个周向相临左旋斜肋组成一个涡流发生器；在一小段管(小于0.5d)的内壁面上有6个斜肋组成三个涡流发生器。
不连续双斜内肋换热管的最佳实施方式为滚轧或模压成型。不连续管内双向螺旋肋—管外双向螺旋槽换热管的轧滚轧制成型工艺，是在轧滚的成型表面上设置不连续低轧刃，当换热管经轧滚轧制时，换热管的外壁面在低轧刃的挤压作用下成型为不连续双向螺旋槽，其管内则成型为不连续双向螺旋肋。管内具有不连续双向螺旋肋，而管外壁光滑的换热管，其制造工艺之一是与内螺纹外光滑管的制造工艺相类似；制造工艺之二是用滚轧或模压成型的不连续管内双向螺旋肋—管外双向螺旋槽换热管再加工(冷拔等)。不连续双斜内肋换热管的滚轧或模压成型加工方法的制造效率比普通螺旋槽、横槽和螺纹表面换热管的制造效率高几倍，这是由于斜肋的不连续性所带来的优点，因而其制造成本也相应降低。
Claims (6)
1、连续双斜内肋强化换热管，含有内肋，其特征在于：管子内壁面存在不连续的且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，即左旋方向斜内肋和右旋方向斜内肋，双斜内肋的法向高度等于或小于0.2d，周向宽度等于或小于0.5d，轴向长度等于或小于2d，d为基管水力内径；双斜内肋的轴线与基管轴线之间成±(30～85)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。
2、根据权利要求1所述的不连续双斜内肋强化换热管，其特征在于：所述双斜内肋的轴线与基管轴线之间成±45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。
3、根据权利要求1所述的不连续双斜内肋强化换热管，其特征在于：所述双斜内肋的横截面的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。
4、根据权利要求1所述的不连续双斜内肋强化换热管，其特征在于：所述双斜内肋的轴线是下列各种中的任何一种或几种的组合：直线、折线、弧线、螺旋线以及曲线。
5、根据权利要求1所述的不连续双斜内肋强化换热管，其特征在于：所述强化换热管的内壁面是下述各种中的任何一种或几种的组合：光滑表面、螺纹表面以及低肋表面。
6、根据权利要求1所述的不连续双斜内肋强化换热管，其特征在于：所述强化换热管的外壁面是带槽的表面，或光滑表面，或螺纹表面，或低肋表面，或翅片表面。
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