适用于换热管的插入式强化换热组件及强化换热管

摘要

本发明公开了一种适用于换热管的插入式强化换热组件，其包括收容在换热管内的支撑杆及多个间隔设置在所述支撑杆上的强化换热扰流单元，所述支撑杆沿所述换热管的轴向设置，其上设置有多个间隔设置的安装节点。所述强化换热扰流单元包括连接于所述支撑杆的涡杆及连接于所述涡杆的弧形杆，所述涡杆与所述支撑杆倾斜设置。所述涡杆包括连接于所述节点的固定端和垂直连接于所述弧形杆的连接端。所述弧形杆相对于所述涡杆对称设置，且其弧面与所述换热管的内壁面相互平行。所述强化换热扰流单元与所述换热管的内壁面之间的最小距离大于零且小于等于所述换热管内径的0.05倍。本发明还涉及具有上述插入式强化换热组件的强化换热管。

说明书

技术领域

本发明属于换热管扰流强化换热领域，更具体地，涉及一种适用于换热管的插入式强化换热组件及具有所述插入式强化换热组件的强化换热管。

背景技术

强化换热管因为其高效经济的特点，被广泛地应用于石油、冶金、化工和交通运输等行业，在换热器的应用中占据主导地位。为了提高换热效果，换热器应用领域已经发展了强化换热技术及理论。核心强化换热理论提出了通过加强核心流区域的能量和质量交换过程，使得核心流区域扩大，温度更加均匀的思路。这样不仅使边界层更薄，而且使得边界层的温度梯度变大，进而达到强化换热的效果。还有一种是基于表面的强化换热方式，通过对管壁附近的流体进行扰动，不断破坏边界层的发展，减薄边界层的厚度，提高换热能力。

强化换热技术总体可以分为管程强化传热技术以及壳程强化传热技术，管内插入物作为管程强化传热技术之一，因为扰流元件的样式及强化原理各式各样，成为了近年的热门研究对象和应用对象。然而，现有的管内插入物的强化换热方式单一，换热效率较低，结构比较复杂，且不易加工。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于换热管的插入式强化换热组件及强化换热管，其结合核心强化以及边界层强化的方式，针对所述插入式强化换热组件的结构进行了设计。所述强化换热扰流单元包括连接于所述支撑杆的涡杆及连接于所述涡杆的弧形杆，所述涡杆倾斜设置于所述支撑杆上，所述涡杆用于形成纵向涡，所述纵向涡纵向发展的同时，自身产生漩涡，增加横向扰动，所述纵向涡能够在流动方向上加强流体的扰动，强化流体质量和能量的交换过程；所述横向扰动虽然会使流动阻力增加，但是也使壁面处和中心流区域的热质交换加强；所述弧形杆在边界层进行局部的强化传热，极大的提高了换热效率，且结构简单，易于加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于换热管的插入式强化换热组件，其包括收容在换热管内的支撑杆及多个间隔设置在所述支撑杆上的强化换热扰流单元，其特征在于：

所述支撑杆沿所述换热管的轴向设置，其上设置有多个间隔设置的安装节点；

所述强化换热扰流单元包括连接于所述支撑杆的涡杆及连接于所述涡杆的弧形杆，所述涡杆倾斜设置于所述支撑杆上；所述涡杆包括固定端和连接端，所述固定端连接于所述节点，所述连接端与所述弧形杆垂直连接；所述弧形杆相对于所述涡杆对称设置，且其弧面与所述换热管的内壁面相互平行；所述强化换热扰流单元与所述换热管的内壁面之间的最小距离优选大于零且小于等于所述换热管内径的0.05倍。

进一步的，所述强化换热扰流单元的排布密度为每米29个。

进一步的，每个节点固定连接三个所述强化换热扰流单元，三个所述强化换热扰流单元均匀分布；所述强化换热扰流单元的排布密度为每米87个。

进一步的，所述弧形杆垂直于自身中心轴的横截面的形状为三角形、圆形及椭圆形中的一种。

进一步的，所述涡杆与所述支撑杆之间形成的倾斜角的角度为30°，所述弧形杆对应的圆心角为36°。

进一步的，所述涡杆垂直于自身长度方向的横截面的形状为圆形。

按照本发明的另一方面，提供了一种强化换热管，其包括换热管，所述强化换热管还包括如上所述的适用于换热管的插入式强化换热组件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，采用本发明的适用于换热管的插入式强化换热组件及强化换热管，所述强化换热扰流单元包括连接于所述支撑杆的涡杆及连接于所述涡杆的弧形杆，所述涡杆与所述支撑杆倾斜设置，所述涡杆用于形成纵向涡，所述纵向涡纵向发展的同时，自身产生漩涡，增加横向扰动，所述纵向涡能够在流动方向上加强流体的扰动，强化流体质量和能量的交换过程；所述横向扰动虽然会使流动阻力增加，但是也使壁面处和中心流区域的热质交换加强；所述弧形杆在边界层进行局部的强化传热，极大的提高了换热效率，且结构简单，易于加工。

附图说明

图1是本发明第一实施方式提供的强化换热管结构的左视图。

图2是图1中的强化换热管结构的正视图。

图3是本发明第二实施方式提供的强化换热管结构的正视图。

图4是图1中插入式强化换热组件的弧形杆的中心所在横截面的速度矢量图。

图5是图4中的弧形杆的中心所在横截面的温度场图。

图6是图4中的弧形杆的中心所在横截面的流线图。

图7是图1中的强化换热管的换热系数Nu随雷诺数Re的变化图。

图8是图1中的强化换热管的阻力系数f随雷诺数Re的变化图。

图9是图1中的强化换热管的强化传热综合性能评价指标PEC随雷诺数Re的变化图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-涡杆，2-弧形杆，3-支撑杆，4-换热管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1至图3，本发明第一实施方式提供的强化换热管，其包括适用于换热管的插入式强化换热组件及换热管4，所述插入式强化换热组件设置在所述换热管4内。本实施方式中，所述插入式强化换热组件结合核心流强化以及边界流强化的方式，以强化所述换热管的换热能力。

所述插入式强化换热组件包括支撑杆3及多个间隔固定在所述支撑杆3上的强化换热扰流单元。本实施方式中，所述支撑杆3的长度方向与所述换热管4的轴向平行；所述支撑杆3上有多个间隔设置的安装节点，多个所述强化换热扰流单元分别固定在多个所述安装节点上。

所述强化换热扰流单元包括涡杆1及连接于所述涡杆1的弧形杆2，所述涡杆1固定连接于所述支撑杆3的安装节点，所述弧形杆2与所述涡杆1垂直连接。本实施方式中，所述涡杆1相对于所述支撑杆3倾斜设置；所述涡杆1包括固定端及与所述固定端相背的连接端，所述固定端固定连接于所述支撑杆3，所述连接端垂直连接于所述弧形杆2的中心，即所述弧形杆2相对于所述连接端对称设置；所述弧形杆2的弧面与所述换热管4的内壁面平行设置。

所述强化换热扰流单元与所述换热管4的内壁面之间的最小距离为H，其中0＜H≤0.05D，D为所述换热管4的内径。所述涡杆1用于形成纵向涡以扰动流体的核心流区域，进而强化核心流区域的传热；所述弧形杆2用于扰动流体的边界层以进行局部的强化传热。

本实施方式中，所述涡杆1及所述弧形杆2均由圆杆加工而成，所述涡杆1垂直于自身长度方向的横截面及所述弧形杆2垂直于自身长度方向的横截面均为圆形，可以理解，在其他实施方式中，可以为其他形状，如三角形、椭圆形等；每个安装节点安装一个所述强化换热扰流单元，可以理解，在其他实施方式中，每个安装节点可以安装其他数量的强化换热扰流单元，如两个、三个等，每个安装节点安装的多个所述强化换热扰流单元对称分布或者不对称分布。

采用数值模拟研究所述强化换热管的性能，计算模型参数如下：所述换热管4是内径D为18mm的圆管，所述支撑杆3的直径Dr为2mm，所述涡杆1及所述弧形杆均为直径d为1mm的细杆；所述涡杆1与所述支撑杆3形成的夹角α为30°；所述弧形杆2的圆心位于所述支撑杆3的中心轴上，其半径R＝8mm，所述弧形杆2对应的圆心角θ优选地为36°，所述强化换热扰流单元与所述换热管4的内壁面之间的最小距离为H为0.5mm，即H＝0.028D；所述强化换热扰流单元以29个/米(即节距P＝35mm)的密度排布，夹角β优选地为120°，均匀分布在所述支撑杆3的外围；本实施方式的数值模拟采用周期性边界来计算，所述换热管4的周期长度取为105mm，根据节距计算可得一个周期长度内可以设置三个所述强化换热扰流单元；设流体为水，且不可压缩；模拟过程选择雷诺数250、500、750、1000、1250、1500和1750七个，壁面温度为340K，流体进口温度293K，所述插入式强化换热组件的表面假设为绝热。可以理解，在其他实施方式中，所述涡杆1与所述支撑杆3形成的夹角α可以为其他角度。

请参阅图4，核心区域流体在所述涡杆1的引导下，流向所述换热管4的壁面，所述涡杆1形成的纵向涡加强了中心区域与壁面区域的质量和能量的交换过程。同时，在所述弧形杆2的引导下，到达壁面区域的流体会向两边扩散，增大了边界层的强化区域。

请参阅图5，自所述弧形杆2的中心所在横截面(通过所述弧形杆2的中心轴且垂直于所述换热管4的轴向的横截面)的温度场图可知，核心区域的温度较低的流体的面积较大，特别是所述涡杆1所在区域的热边界层较薄，原因是所述涡杆1将核心区域的流体引导到所述换热管4的壁面附近；所述弧形杆2对壁面处的扰动效果明显，边界层厚度相对于其他区域明显减小很多，温度梯度较大，因而局部换热明显增强；在无所述弧形杆2的区域，受流动前方所述强化换热扰流单元的影响，由于纵向涡仍保持一定的强度，所以局部区域的边界层也会相对较薄，局部区域换热也得到增强，合适的节距能够让纵向涡在所述换热管4内不断得到周期性地增强，使得所述换热管4内始终有纵向涡的扰动。

请参阅图6，在所述强化换热扰流单元的作用下，所述流体在所述插入式强化换热组件的两侧对称形成纵向涡，所述纵向涡纵向发展的同时，自身产生漩涡，增加横向扰动。所述纵向涡能够在流动方向上加强流体的扰动，强化流体质量和能量的交换过程；所述横向扰动虽然会使流动阻力增加，但是也使壁面处和中心流区域的热质交换加强。

请参阅图7至图9，所述强化换热管的换热能力采用无量纲数努谢尔特数Nu表示，Nu越大，表示换热能力越好；阻力用阻力系数f评价，f越小表示所述强化换热管的阻力代价越小；综合性能指标PEC则综合考虑了换热提高带来的收益与阻力提高带来的代价，Nu₀、f₀代表无插入所述插入式强化换热组件时，所述换热管的换热能力、阻力。Re与管内流体速度成正比，ρ，μ，U分别为工质的密度、动力粘度、速度。在雷诺数Re为250～1750的范围内，换热能力Nu随着雷诺数Re的增大而增大，相比于没有所述插入式强化换热组件的换热管，本实施方式提供的强化换热管的换热能力提高了2.40～7.58倍，阻力提高了2.10～3.59倍，综合性能指标PEC能达到1.87～4.95(PEC大于1说明综合换热效果比光管的好)。

本发明第二实施方式提供的强化换热管与本发明第一实施方式提供的强化换热管的结构基本相同，不同点在于，每个所述安装节点连接三个所述强化换热扰流单元，三个所述强化换热扰流单元沿所述支撑杆3的外周均匀分布，所述强化换热扰流单元的排布密度为每米87个。

采用本发明的适用于换热管的插入式强化换热组件及强化换热管，所述强化换热扰流单元包括连接于所述支撑杆的涡杆及连接于所述涡杆的弧形杆，所述涡杆与所述支撑杆倾斜设置，所述涡杆用于形成纵向涡，所述纵向涡纵向发展的同时，自身产生漩涡，增加横向扰动，所述纵向涡能够在流动方向上加强流体的扰动，强化流体质量和能量的交换过程；所述横向扰动虽然会使流动阻力增加，但是也使壁面处和中心流区域的热质交换加强；所述弧形杆在边界层进行局部的强化传热，极大的提高了换热效率，且结构简单，易于加工。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。