專利名稱：一種強化傳熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳熱強化和換熱器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有沿軸向間 隔分布的旋流單元的強化傳熱管。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的強化單相對流換熱機理可以歸納為四種(l)減薄熱邊界層；(2) 增加流體的擾動；(3)擴展傳熱表面；(4)改變換熱表面的物理性質(zhì)等。 其主要從提高流體與換熱壁面的對流換熱系數(shù)及改善傳熱壁面的物理和幾 何特征入手進(jìn)行強化傳熱。由于這些方法均基于換熱表面，因而可稱為邊 界流傳熱強化，或表面?zhèn)鳠釓娀?br> 傳統(tǒng)的強化傳熱管一般包括螺旋槽紋管、橫槽紋管、多縱向渦強化管、 單面縱槽管、縮放管、波紋管等。此外管內(nèi)插入物技術(shù)是一種常用的強化 傳熱技術(shù)，常用的管內(nèi)插入物有扭帶、螺旋線圈、繞花絲以及靜態(tài)混合器 等。但是傳統(tǒng)的管內(nèi)插入物技術(shù)常常將插入物填充整個流動區(qū)域，這樣， 傳熱雖然得到了大大的強化，但是阻力增加也是非常顯著的，特別是在湍 流區(qū)域，阻力增加更為顯著。其原因是由于邊界附近流體的速度梯度、 粘性擴散以及動量耗散的增大，使得流體與表面間的剪切力、摩擦力以及 流體的耗散功有不同程度的增加。這樣就使得傳統(tǒng)的邊界層強化傳熱理論 進(jìn)行強化時遇到一個矛盾傳熱強化的同時，流動阻力也會增加，若流動 阻力成為矛盾的主要方面，甚至可能會弱化換熱的綜合效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種強化傳熱管，該強化傳熱管可以較大程度地提高其總體傳熱性。
本發(fā)明提供的強化傳熱管，其特征在于它包括傳熱管體、連接桿和 至少二個旋流單元，連接桿放置在傳熱管體內(nèi)，各旋流單元安裝在連接桿
上；旋流單元由2至6個旋流葉片構(gòu)成，各旋流葉片沿周向均勻安裝連接 桿上，設(shè)各旋流葉片與傳熱管體之間間距為h， 0<hS0.25D， D為傳熱管 體的內(nèi)徑。
本發(fā)明重新審視了受限空間傳熱和流動的關(guān)系，提出核心流強化傳熱 方式，認(rèn)為在受限空間的所占空間比較小的核心流區(qū)域添加沿流向間隔布 置的內(nèi)插物，使其端部不接觸管壁，此時，管內(nèi)流動和傳熱就會具有以下 特征(1)核心流區(qū)域溫度均勻；(2)對邊界層流體的流動狀態(tài)影響較小； (3)不增加流場的速度梯度；(4)減少連續(xù)擴展面。這樣的特征對受限空 間產(chǎn)生的影響， 一方面不會造成較大的流動阻力，另一方面，可以改變溫 度分布，使核心流區(qū)域的溫度分布非常均勻，而邊界層區(qū)域則形成了較大 的溫度梯度，從而改變了傳熱特性，使換熱強化，使強化管的綜合性能大 為改善。具體而言，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下顯著特點
(1) 每個旋流葉片單元至少由2個旋流葉片構(gòu)成，但不多于6個。 構(gòu)成每個旋流單元的旋流葉片沿周向?qū)ΨQ分布，且每個旋流葉片的安
裝角度相同。這樣，流體在經(jīng)過旋流單元時，會充分形成旋流，達(dá)到流體 混合的目的。
(2) 旋流單元沿傳熱管軸向間隔布置，且至少布置2個旋流單元。
旋流單元對管內(nèi)流體流動起到很好的組織作用，當(dāng)管內(nèi)流體經(jīng)過旋流 單元時，形成一種衰減的旋流，使流體混合均勻，當(dāng)旋流衰減到一定程度 之后，再經(jīng)過一個旋流單元，使得旋流又得到恢復(fù)，核心流體的混合作用 又得到增強，這樣在壁面形成一個等效的邊界層，因而傳熱得到強化。
(3) 旋流單元位于傳熱管內(nèi)較小的核心流區(qū)域，不與壁面接觸。這樣旋流單元只對核心流中較小區(qū)域的流體有擾動混合作用，對壁面 流體的影響較小，因而流動阻力增加不大，而傳熱得到了強化，對于湍流 時，優(yōu)勢更明顯。
(4) 各個旋流單元沿軸向分布式布置。 旋流單元沿傳熱管軸向分布式布置，旋流單元間的距離以在能形成有
效旋流的前提下，間距盡可能大，這樣，傳熱強化的同時，連續(xù)表面增加 不多，因而阻力也增加不多。
(5) 沿傳熱管軸向分布式布置旋流單元的優(yōu)勢還在于，從兩個方面減
小了連續(xù)擴展面 一方面使旋流單元在流通截面上的面積比較小，另一方 面沿流動方向上的面積大為減小，因而基于核心流強化傳熱理論的旋流單 元內(nèi)插物的流動阻力與連續(xù)表面內(nèi)插物相比，流動阻力大幅度減少。


圖1為本發(fā)明強化傳熱管的結(jié)構(gòu)示意圖2為旋流單元的一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖3為的旋流葉片的結(jié)構(gòu)示意圖4為旋流單元的另一種具體實施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為旋流單元下游10mm處的速度場； 圖6為旋流單元下游150mm處的速度場； 圖7為旋流單元下游10mm處的溫度場； 圖8為旋流單元下游150mm處的溫度場； 圖9為不同旋流葉片數(shù)目下努塞爾數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re的變化； 圖10為不同旋流葉片數(shù)目下阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)Re的變化； 圖11為不同旋流葉片數(shù)目下強化管綜合性能評價指標(biāo)PEC值隨雷諾數(shù) Re的變化。
具體實施方式
如圖l所示，本發(fā)明提供的強化傳熱管包括傳熱管體3、連接桿2和至 少二個旋流單元l、 4，連接桿2放置在傳熱管體3內(nèi)，各旋流單元均安裝 在連接桿2上。旋流單元由2至6個旋流葉片構(gòu)成，各旋流葉片沿周向均 勻安裝連接桿2上。各旋流葉片與傳熱管體3之間間距相等，設(shè)其間距為h， 0《h《0.25D， D為傳熱管體3的內(nèi)徑。
本發(fā)明對各旋流單元在連接桿2的安裝位置并不作限定，可以應(yīng)用的 場合均勻或不均勻布置。
各旋流單元所包含的旋流葉片可以不等，但相等時，可以更進(jìn)一步地 提供其總體傳熱性。
下面通過借助以下實施例將更加詳細(xì)說明本發(fā)明，且以下實施例僅是 說明性的，本發(fā)明并不受這些實施例的限制。
如圖2所示，旋流單元由四片旋流葉片5、 6、 7和8沿周向均勻安裝 在連接桿2上構(gòu)成。旋流葉片5、 6、 7和8之間的安裝角相等，均為0度， 且相鄰旋流葉片間的夾角a為90度。
如圖3所示，當(dāng)二個旋流單元1和4分別由三個旋流葉片沿周向均勻 安裝在連接桿2時，每組旋流單元的旋流葉片的安裝角相等，均為0度， 且相鄰旋流葉片間的夾角a為120度。旋流單元1和4間的相位角為y為 60度。
這樣當(dāng)流體從左側(cè)進(jìn)入傳熱管后，經(jīng)過旋流單元之后，形成旋流，流 經(jīng)一段距離之后，旋流逐漸減弱，此后，再經(jīng)過下一個旋流單元，旋流又 重新組織起來，流體經(jīng)過混合之后，核心區(qū)域的溫度區(qū)域均勻，而對邊界 附近的流體流動影響不大，因而與傳統(tǒng)的連續(xù)內(nèi)插物強化傳熱元件相比， 傳熱得到了強化，流動阻力增加不大，因而綜合傳熱能力大為提高。
實例
采用如圖2所示的旋流單元，相鄰旋流單元相位角為0度。如圖3所 示，旋流葉片5扭角為(3為50度，葉片為等截面，厚5為0.5mm，葉片底部寬度wl二2mm，端部寬w2為5mm，距中心高8mm，支撐葉片的連接桿 2直徑為2mm。旋流單元1高度d=16mm，傳熱管體3內(nèi)徑D=20mm，旋 流單元1與傳熱管體3壁面的間距為2mm。旋流單元1安裝位置距傳熱管 體3距離為40mm，旋流單元1和4的間距為80mm，旋流單元4距傳熱管 體3的出口距離為40mm。
圖5~11為在內(nèi)徑為20mm，管長為960mm的圓管核心區(qū)域，均勻布置 數(shù)個軸向旋流單元，每個旋流單元用連接桿連接，旋流葉片的頂端與圓管 壁面有一定的距離。計算流體為水，雷諾數(shù)Re范圍為3000~15000，邊界 條件為給定均勻進(jìn)口速度和進(jìn)口溫度；給定出口壓力；管壁熱流 15000W/m2，旋流葉片表面絕熱。
由圖5~6所示，在傳熱管體內(nèi)均勻布置了 4個旋流單元，每個旋流單 元均包括3片旋流葉片(如圖4所示)，在旋流單元下游10mm處，核心流 已呈現(xiàn)出對稱的旋流，說明流體已被有效地擾動，而在葉片旋流單元下游 150mm處，核心流的速度場已較為均勻。圖7 8則顯示了在管內(nèi)相應(yīng)位置 的溫度場，沿軸線方向管截面中心處的流體溫度也較為均勻，從而使得管 壁附近流體的溫度梯度顯著提高，流體的換熱得以強化。
當(dāng)傳感管包括四個旋流單元，各旋流單元包括的葉片數(shù)為3個或4個 時，其換熱與阻力特性計算結(jié)果如圖9 11所示。圖中可見，采用4葉片的 旋流單元強化傳熱管的努塞爾數(shù)Nu和阻力系數(shù)都明顯高于采用3葉片的旋 流單元的強化傳熱管，但前者的綜合性能評價指標(biāo)PEC值明顯高于后者。 因此，管內(nèi)旋流葉片的單元數(shù)以及每一旋流單元的葉片數(shù)對強化傳熱管的 換熱與阻力特性影響明顯，在雷諾數(shù)Re為3000-15000的范圍內(nèi)，其綜合 性能評價指標(biāo)PEC值均超過1.5，在較低Re數(shù)時可達(dá)1.9左右。
以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施 例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等 效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1、一種強化傳熱管，其特征在于它包括傳熱管體(3)、連接桿(2)和至少二個旋流單元，連接桿(2)放置在傳熱管體(3)內(nèi)，各旋流單元安裝在連接桿(2)上；旋流單元由2至6個旋流葉片構(gòu)成，各旋流葉片沿周向均勻安裝連接桿(2)上，設(shè)各旋流葉片與傳熱管體(3)之間間距為h，0<h≤0.25D，D為傳熱管體(3)的內(nèi)徑。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的強化傳熱管，其特征在于旋流單元由4片 旋流葉片沿周向均勻安裝在連接桿(2)上構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的強化傳熱管，其特征在于旋流單元由3片 旋流葉片沿周向均勻安裝在連接桿(2)上構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的強化傳熱管，其特征在于各旋流 單元所包含的旋流葉片的片數(shù)的相等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種強化傳熱管，其特征在于它包括傳熱管體、連接桿和至少二個旋流單元，連接桿放置在傳熱管體內(nèi)，各旋流單元安裝在連接桿上；各旋流葉片與傳熱管體并不接觸；旋流單元由2至6個旋流葉片構(gòu)成，各旋流葉片沿周向均勻安裝連接桿上。采用該強化傳熱管，可以通過分布式旋流單元的擾流作用，使得核心區(qū)域的流體混合均勻，而對邊界附近的流體擾動較小，因而傳熱得到強化，而阻力增加不多，克服了現(xiàn)有的擾流元件在湍流范圍內(nèi)不能應(yīng)用的缺點。
文檔編號F28F13/06GK101435673SQ20081023671
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者偉 劉, 劉志春, 明廷臻, 范愛武, 黃曉明 申請人:華中科技大學(xué)