一种带有旋流片的强化传热管

摘要

本发明公开了一种带有旋流片的强化传热管，以解决现有带有旋流片的强化传热管所存在的传热管体内流体的流速较低时流体所形成的螺旋流和自旋流的强度较弱、自旋流的持续性较差的问题。本发明包括传热管体(3)和沿强化传热管的轴向间隔设置的若干个旋流片(1)，在各旋流片(1)的前方均设有一个收缩管(2)，一个旋流片(1)和一个收缩管(2)组成一个旋流片一收缩管组件。收缩管(2)设有圆台形的内腔(21)，内腔(21)的两端分别为内腔入口(22)和内腔出口(23)，内腔出口(23)的面积小于内腔入口(22)的面积。内腔出口(23)与旋流片(1)的前端相邻。本发明主要用于石油化工、煤化工等行业的管式换热器中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种强化传热管，尤其是涉及一种带有旋流片的强化传热管。

背景技术

在石油化工行业的管式换热器中，所使用的强化传热管主要有以下几种： (1)螺旋槽管。特点是靠管壁的粗糙肋面破坏流体的边界层，促进边界流体的湍 流强化传热。不足之处是对传热管体中心区域流体的对流传热难以强化。(2)扰 流子管。在传热管体内插入扰流子(扭曲带或麻花铁)；流体在传热管体内做螺 旋运动、产生离心力，离心力使流体之间产生扰动并产生径向对流，促使流体 的边界层减薄，以此提高传热系数。但是由于扰流子与传热管体内壁之间有一 定的间隙，使其破坏流体边界层的能力减弱。扰流子一般是在整个管程或半个 管程插入传热管体内的，会使传热管的阻力降增大。(3)缩放管。缩放管是一种 管径沿轴向规律性收缩和放大的强化传热管，对管程和壳程均有一定的强化传 热作用。缺点是制造成本高，并且仅能对流体边界层的减薄有作用，对传热管 体中心区域流体的对流传热强化效果有限。

带有旋流片的强化传热管基本上可以解决上述的强化传热管所存在的问 题。中国专利CN1865830A公开的带有旋流片的强化传热管，包括传热管体和旋 流片。旋流片为沿轴线方向带有旋转角度且在半径方向曲面形状对称的短扭带， 至少设置两个；旋流片之间保持轴向间距。流体在传热管体内经过一个旋流片 时形成螺旋流，之后螺旋流依靠流体自身的运动惯性在两个旋流片的间距中保 持自旋流。流体经过下一个旋流片时，再次形成螺旋流。如此，流体沿流动方 向重复所述的螺旋流与自旋流过程。这种带有旋流片的强化传热管存在的主要 问题是，传热管体内流体的流速较低时(3～7米/秒)，其动能也较低。流体所形 成的螺旋流和自旋流的强度较弱，自旋流的持续性较差(表现为衰减较快、长度 较短)，使强化传热的效果有限。要维持连续的螺旋流和自旋流，就需要降低旋 流片之间的间距(旋流片之间的间距通常为100～300毫米)；但这会使旋流片的 数量增加，引起传热管内阻力降增大。旋流片的两个侧边焊接于传热管体的内 壁上时，每增加一个旋流片就多两道焊缝，还要进行焊缝探伤检测；这会使传 热管的制造成本提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有旋流片的强化传热管，以解决现有带有旋流 片的强化传热管所存在的传热管体内流体的流速较低时流体所形成的螺旋流和 自旋流的强度较弱、自旋流的持续性较差的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种带有旋流片的强化传热 管，包括传热管体和沿强化传热管的轴向间隔设置的若干个旋流片，其特征在 于：在各旋流片的前方均设有一个收缩管，一个旋流片和一个收缩管组成一个 旋流片一收缩管组件，收缩管设有圆台形的内腔，内腔的两端分别为内腔入口 和内腔出口，内腔出口的面积小于内腔入口的面积，内腔出口与旋流片的前端 相邻。

采用本发明，具有如下的有益效果：(1)低流速流体由收缩管的内腔入口流 入内腔，由内腔出口流出。由于内腔出口的面积小于内腔入口的面积，流体在 内腔中流动时流通面积逐渐缩小，使由内腔出口流出的流体流速较高。由内腔 出口流出的高流速流体动能较高，流经收缩管后面的旋流片时，所形成的螺旋 流的强度较强；自旋流的强度也随之增强，且持续性较好(表现为衰减较慢、长 度较长)。从而，使强化传热的效果较好。本发明，相邻两个旋流片管一收缩管 组件或相邻两个旋流片一收缩管组件的间距保持在500～3000毫米的范围内时， 都可以使强化传热管内的流体维持连续的螺旋流和自旋流；该间距实际上是一 个自旋流的长度(一个自旋流从形成后即逐渐衰减)。由于所述间距较大，所以 可以使用数量较少的旋流片和收缩管，使强化传热管内的阻力降较低，并使强 化传热管的制造成本较低；这一点，是在进一步考虑了收缩管产生的阻力降和 收缩管成本的情况下，本发明在同等条件下(相同的流体和流体流速、相同的传 热环境、达到相同的强化传热效果，等等)与现有带有旋流片的强化传热管相比 而得出的。(2)由于螺旋流和自旋流的强度较强，从而可以提高流体的流速；可 以增强流体的切向运动，使流体的边界层减薄；可以增强流体的径向运动，使 传热管体内流体的温度梯度分布更趋均匀，进而强化传热管体内中心区域流体 的对流传热，减缓污垢在传热管体内壁的生成和驻留。这些都有利于强化传热、 提高传热效率。(3)与现有螺旋槽管式的强化传热管相比，本发明的主要优点是 传热管体中心区域流体的对流传热能够得到强化；与现有扰流子管式的强化传 热管相比，本发明的主要优点是破坏流体边界层的能力较强，强化传热管的阻 力降较低；与现有缩放管式的强化传热管相比，本发明的主要优点是制造成本 较低，对传热管体中心区域流体的对流传热强化效果较好。

本发明主要用于石油化工、煤化工等行业的管式换热器中。

下面结合附图、具体实施方式和实施例对本发明作进一步详细的说明。附 图、具体实施方式和实施例并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

图1是本发明第一种带有旋流片的强化传热管的局部示意图。

图2是本发明第二种带有旋流片的强化传热管的局部示意图。

图3是一种旋流片的结构示意图。

图4是图3中的A-A剖视图。

图5是实施例对本发明带有旋流片的强化传热管进行测试的示意图。

图1至图5中，相同附图标记表示相同的技术特征。

具体实施方式

参见图1、图2，本发明带有旋流片的强化传热管(简称为强化传热管)，包 括传热管体3和沿强化传热管的轴向间隔设置的若干个(至少两个)旋流片1。在 各旋流片1的前方均设有一个收缩管2，一个旋流片1和一个收缩管2组成一个旋 流片-收缩管组件。收缩管2为圆柱形，设有圆台形的内腔21。内腔21的两端分 别为内腔入口22和内腔出口23，均为圆形；内腔出口23的面积小于内腔入口22 的面积，内腔出口23与旋流片1的前端相邻。上述旋流片1的前方和前端，是按 流体流动方向，流体首先流经的位置。

参见图1，本发明第一种强化传热管，收缩管2位于内腔出口23的端面设有 旋流片管体11，内腔出口23与旋流片管体11的内部相通。旋流片管体11和前述 的传热管体3，均是横截面为圆形的管。旋流片1设于旋流片管体11的内部。一 个旋流片1和一个旋流片管体11组成一个旋流片管，一个旋流片管和一个收缩管 2组成一个旋流片管-收缩管组件。旋流片管-收缩管组件与传热管体3相连， 与传热管体3一起组成强化传热管。

参见图2，本发明第二种强化传热管，旋流片1和收缩管2均设于传热管体3 内。旋流片-收缩管组件与传热管体3一起组成强化传热管。旋流片1加上其所 处位置的传热管体3的管段，可称为旋流片管段。

参见图1和图2，收缩管2的长度a一般为传热管体3内直径d的2～5倍，d一般 为20～100毫米。内腔出口23的面积一般为内腔入口22面积的1/4～2/3(四分之 一至三分之二)。

参见图3、图4以及图1和图2，旋流片1的宽度k等于传热管体3的内直径d。 旋流片1的扭转角γ一般为45～270度。图4和图3所示，旋流片1的扭转角为270 度；图1和图2所示，旋流片1的扭转角为180度。旋流片1的长度b一般为传热管 体3内直径d的2～5倍，厚度一般为3～12毫米。本发明使用的旋流片是现有的， 它由短的金属片扭过一定的角度加工而成。关于旋流片的详细说明，可参考 CN1865830A、“管内间隔插入旋流片的流阻性能研究”(《化学工程》2007年第 4期)、“旋流片强化换热器壳程传热的数值模拟与实验”(《华南理工大学学报 (自然科学版)》2007年第4期)等文献。旋流片1可以为右旋，也可以为左旋，在 一根强化传热管中可以选择一种旋向。

参见图1，本发明的第一种强化传热管，收缩管2、旋流片管体11、旋流片1 与传热管体3同轴设置。收缩管2、旋流片管体11的外直径与传热管体3的外直径 相等，收缩管2内腔入口22的直径、旋流片管体11的内直径等于传热管体3的内 直径d，旋流片管体11的长度等于旋流片1的长度b。本发明第一种强化传热管沿 轴向设置两个以上的旋流片管-收缩管组件(一般在强化传热管的入口段设置 一个)，相邻两个旋流片管-收缩管组件的间距t一般为500～3000毫米，优选为 1600～2800毫米(参见图5)。间距t的选取原则是，应保证在间距t内能维持一个 完整的自旋流。

参见图2，本发明的第二种强化传热管，收缩管2、旋流片1与传热管体3同 轴设置，收缩管2内腔入口22的直径等于传热管体3的内直径d。本发明第二种强 化传热管沿轴向设置两个以上的旋流片-收缩管组件(一般在强化传热管的入 口段设置一个)，相邻两个旋流片-收缩管组件的间距一般为500～3000毫米， 优选为1600～2800毫米。表示该间距的附图省略；该间距与图5所示的t类同， 选取原则与上述t的选取原则相同。

参见图1，本发明的第一种强化传热管，收缩管2和旋流片管体11最好为一 体式结构；可采用厚壁管整体机械加工或是整体精密铸造的方法，将二者制成 一体。旋流片1焊接于旋流片管体11的内壁上；具体来说，是将旋流片1的两个 侧边(基本上均为螺旋形曲线)连续焊接于旋流片管体11的内壁上。旋流片管- 收缩管组件与传热管体3之间，采用焊接连接。图1所示，收缩管2位于内腔入口 22的端面、旋流片管体11的端面与传热管体3的端面之间，分别连续焊接(图5中 的第二个旋流片管-收缩管组件与传热管体之间的焊接与此相同)。图5中的第 一个旋流片管-收缩管组件，旋流片管体的端面与传热管体的端面之间连续焊 接，收缩管位于内腔入口的端面与管道10的端面之间连续焊接。

参见图2，本发明的第二种强化传热管，旋流片1和收缩管2焊接于传热管体 3的内壁上。具体来说，是将旋流片1的两个侧边连续焊接于传热管体3的内壁上， 将收缩管2的外圆柱面连续焊接于传热管体3的内壁上。传热管体3较长时，上述 的焊接比较困难。相对来说，本发明第一种强化传热管的结构和制造方法，易 于制造长度较长的强化传热管。

本发明单根强化传热管的长度，一般为3～6米。强化传热管各部件的材料， 可采用传热设备领域所常用的各种材料，例如碳钢、不锈钢等。传热管体3可以 是光管，如图1至图5所示。为了强化管外传热，传热管体3也可以是外扩面管(翅 片管、钉头管等)；图略。

本发明的强化传热管在使用过程中，流体由强化传热管的入口流入强化传 热管。流体的流速较低，一般为3～7米/秒。流体的流速，根据强化传热管入口 处液体的重量流量或气体的体积流量(均保持不变)与传热管体3的流通面积计 算；传热管体3的流通面积按其内直径d计算(现有带有旋流片的强化传热管，其 传热管体内流体流速的计算方法同此)。流体流经一个旋流片管-收缩管组件 (对于本发明的第一种强化传热管)或是一个旋流片-收缩管组件(对于本发明 的第二种强化传热管)时，由收缩管2的内腔入口22流入内腔21，由内腔出口23 流出。流体流速得到提高(约为内腔入口22处流体流速的1.5～4倍)，并具有了 较高的动能。若内腔出口23的面积为内腔入口22面积的1/4～1/3(四分之一至三 分之一)，则由内腔出口23流出的流体流速约为内腔入口22处流体流速的3～4 倍。由内腔出口23流出的高流速流体流经收缩管2后面的旋流片1时形成强度较 高的螺旋流，离开旋流片1后形成强度较高的自旋流而且自旋流的持续性较好， 从而使强化传热的效果较好。自旋流消失后，流体流经下一个旋流片管-收缩 管组件或是下一个旋流片-收缩管组件，重复上述的螺旋流和自旋流过程。在 强化传热管内，流体可以维持连续的螺旋流和自旋流，在流动过程中与强化传 热管外部的流体换热；最后，由强化传热管的出口流出。

流体在强化传热管内的流动，对于本发明的第一种强化传热管，包括在传 热管体3内的流动和流经旋流片管-收缩管组件的流动；对于本发明的第二种强 化传热管，包括在传热管体3内的流动和流经旋流片-收缩管组件的流动。图1、 图2、图3和图5中，未注明附图标记的箭头表示强化传热管内流体的流动方向。 流体流动过程中，二种强化传热管的一个旋流片-收缩管组件所产生的阻力降 一般比普通光滑管增加5％～10％(光滑管的长度等于收缩管2的长度a与旋流片1 的长度b之和，内直径与收缩管2内腔入口22的直径和旋流片1的宽度k相等)。

进入本发明强化传热管待换热的流体，可以是液体(例如水、导热油等)或 气体(例如空气、烟气等)。在强化传热管的入口处，各种流体的压力(表压)通 常均为1000～3000帕。在强化传热管的入口处，水或导热油的温度一般为常温 (15～25℃)，空气的温度一般为常温～100℃，烟气的温度一般为250～450℃。

实施例

在实验室对本发明的第一种强化传热管进行测试；参见图5，以及图1、图3、 图4和有关的文字说明。强化传热管设置两个结构参数相同的旋流片管-收缩管 组件，其中的一个设于强化传热管的入口段；两个旋流片管-收缩管组件的间 距t为1350毫米。传热管体3为光管；传热管体3的外直径为60毫米(收缩管、旋 流片管体的外直径与之相等)，传热管体3的内直径d为50毫米(收缩管内腔入口 的直径、旋流片管体的内直径与之相等)。收缩管的长度a为传热管体3内直径d 的2倍(100毫米)。内腔出口的面积为内腔入口面积的1/3(654.2平方毫米)。

旋流片的宽度k为50毫米，扭转角γ为180度，厚度为3.5毫米。旋流片的长 度b为传热管体3内直径d的3倍(150毫米，旋流片管体的长度与之相同)。两个旋 流片均为右旋。

强化传热管的总长度为3.2米(包括两个旋流片管-收缩管组件的长度)。

参见图5，强化传热管水平放置于一个加热箱内。强化传热管的入口与一根 管道10相连，管道10的内、外直径与传热管体3相同。加热箱设有两个发热棒4、 三个热电偶8，加热箱的箱板6的内表面设有硅酸铝耐火陶瓷纤维层7，发热棒4 与箱板6之间设有陶瓷绝缘套5。发热棒4为硅碳棒(直径30毫米，有效发热长度1 米)，两端通过电线接电源(图5中未示出)。热电偶8为镍铬-镍铜热电偶(型号 为WRE430)。在各种传热管的性能测试中，加热箱是常用的，因此只作上述的简 要说明。

本发明强化传热管各部件的材料，均采用20号碳钢。箱板6的材料采用Q235A 碳钢。

测试开始后，发热棒4首先通电并放热，将加热箱内腔9中的空气加热至170 ℃(三个热电偶8测出温度的平均值)，并保持该温度。这部分空气简称为管外高 温空气，其压力(绝对压力)为1个大气压。接着，经管道10向强化传热管的入口 通入压力(表压)为2000帕、温度为20℃的空气(简称为管内空气)。管内空气首 先流经第一个旋流片管-收缩管组件(图5中左面的设于强化传热管入口段的一 个)，在收缩管内腔入口处的流速为7米/秒(该收缩管内腔入口作为强化传热管 的入口)；由内腔出口流出后，流速为21米/秒。由内腔出口流出的高流速管内 空气流经收缩管后面的旋流片时形成强度较高的螺旋流，离开旋流片后形成强 度较高的自旋流，该自旋流持续至第二个旋流片管-收缩管组件(图5中右面的 一个)，长度为图5所示的t。之后，管内空气流经第二个旋流片管-收缩管组件， 重复上述的螺旋流和自旋流过程；所形成的自旋流长度，达到了强化传热管的 出口。管内空气在强化传热管内流动的过程中吸收强化传热管外部管外高温空 气的热量，最后由强化传热管的出口流出，温度为120℃。

用一根普通光滑管在与上述实施例相同的试验条件下进行对比测试。光滑 管的长度为3.2米，内、外直径与实施例传热管体3的内、外直径相同，入口处 的空气流速为7米/秒，由出口流出的空气温度为113℃。

经检测和计算，本发明实施例强化传热管的总传热系数为41W/(m²·K)，比 对比测试的光滑管的总传热系数提高了16％；两个旋流片-收缩管组件所产生的 阻力降共6.75帕，整根强化传热管的总阻力降为40.5帕。

本发明实施例强化传热管的传热管体3如果使用外扩面管，则传热效果会更 好。