適用于換熱管的插入式強化換熱組件及強化換熱管制造技術

本發明專利技術公開了一種適用于換熱管的插入式強化換熱組件，其包括收容在換熱管內的支撐桿及多個間隔設置在所述支撐桿上的強化換熱擾流單元，所述支撐桿沿所述換熱管的軸向設置，其上設置有多個間隔設置的安裝節點。所述強化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿與所述支撐桿傾斜設置。所述渦桿包括連接于所述節點的固定端和垂直連接于所述弧形桿的連接端。所述弧形桿相對于所述渦桿對稱設置，且其弧面與所述換熱管的內壁面相互平行。所述強化換熱擾流單元與所述換熱管的內壁面之間的最小距離大于零且小于等于所述換熱管內徑的0.05倍。本發明專利技術還涉及具有上述插入式強化換熱組件的強化換熱管。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于換熱管擾流強化換熱領域，更具體地，涉及一種適用于換熱管的插入式強化換熱組件及具有所述插入式強化換熱組件的強化換熱管。
技術介紹
強化換熱管因為其高效經濟的特點，被廣泛地應用于石油、冶金、化工和交通運輸等行業，在換熱器的應用中占據主導地位。為了提高換熱效果，換熱器應用領域已經發展了強化換熱技術及理論。核心強化換熱理論提出了通過加強核心流區域的能量和質量交換過程，使得核心流區域擴大，溫度更加均勻的思路。這樣不僅使邊界層更薄，而且使得邊界層的溫度梯度變大，進而達到強化換熱的效果。還有一種是基于表面的強化換熱方式，通過對管壁附近的流體進行擾動，不斷破壞邊界層的發展，減薄邊界層的厚度，提高換熱能力。強化換熱技術總體可以分為管程強化傳熱技術以及殼程強化傳熱技術，管內插入物作為管程強化傳熱技術之一，因為擾流元件的樣式及強化原理各式各樣，成為了近年的熱門研究對象和應用對象。然而，現有的管內插入物的強化換熱方式單一，換熱效率較低，結構比較復雜，且不易加工。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術提供了一種適用于換熱管的插入式強化換熱組件及強化換熱管，其結合核心強化以及邊界層強化的方式，針對所述插入式強化換熱組件的結構進行了設計。所述強化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿傾斜設置于所述支撐桿上，所述渦桿用于形成縱向渦，所述縱向渦縱向發展的同時，自身產生漩渦，增加橫向擾動，所述縱向渦能夠在流動方向上加強流體的擾動，強化流體質量和能量的交換過程；所述橫向擾動雖然會使流動阻力增加，但是也使壁面處和中心流區域的熱質交換加強；所述弧形桿在邊界層進行局部的強化傳熱，極大的提高了換熱效率，且結構簡單，易于加工。為實現上述目的，按照本專利技術的一個方面，提供了一種適用于換熱管的插入式強化換熱組件，其包括收容在換熱管內的支撐桿及多個間隔設置在所述支撐桿上的強化換熱擾流單元，其特征在于：所述支撐桿沿所述換熱管的軸向設置，其上設置有多個間隔設置的安裝節點；所述強化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿傾斜設置于所述支撐桿上；所述渦桿包括固定端和連接端，所述固定端連接于所述節點，所述連接端與所述弧形桿垂直連接；所述弧形桿相對于所述渦桿對稱設置，且其弧面與所述換熱管的內壁面相互平行；所述強化換熱擾流單元與所述換熱管的內壁面之間的最小距離優選大于零且小于等于所述換熱管內徑的0.05倍。進一步的，所述強化換熱擾流單元的排布密度為每米29個。進一步的，每個節點固定連接三個所述強化換熱擾流單元，三個所述強化換熱擾流單元均勻分布；所述強化換熱擾流單元的排布密度為每米87個。進一步的，所述弧形桿垂直于自身中心軸的橫截面的形狀為三角形、圓形及橢圓形中的一種。進一步的，所述渦桿與所述支撐桿之間形成的傾斜角的角度為30°，所述弧形桿對應的圓心角為36°。進一步的，所述渦桿垂直于自身長度方向的橫截面的形狀為圓形。按照本專利技術的另一方面，提供了一種強化換熱管，其包括換熱管，所述強化換熱管還包括如上所述的適用于換熱管的插入式強化換熱組件。總體而言，通過本專利技術所構思的以上技術方案與現有技術相比，采用本專利技術的適用于換熱管的插入式強化換熱組件及強化換熱管，所述強化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿與所述支撐桿傾斜設置，所述渦桿用于形成縱向渦，所述縱向渦縱向發展的同時，自身產生漩渦，增加橫向擾動，所述縱向渦能夠在流動方向上加強流體的擾動，強化流體質量和能量的交換過程；所述橫向擾動雖然會使流動阻力增加，但是也使壁面處和中心流區域的熱質交換加強；所述弧形桿在邊界層進行局部的強化傳熱，極大的提高了換熱效率，且結構簡單，易于加工。附圖說明圖1是本專利技術第一實施方式提供的強化換熱管結構的左視圖。圖2是圖1中的強化換熱管結構的正視圖。圖3是本專利技術第二實施方式提供的強化換熱管結構的正視圖。圖4是圖1中插入式強化換熱組件的弧形桿的中心所在橫截面的速度矢量圖。圖5是圖4中的弧形桿的中心所在橫截面的溫度場圖。圖6是圖4中的弧形桿的中心所在橫截面的流線圖。圖7是圖1中的強化換熱管的換熱系數Nu隨雷諾數Re的變化圖。圖8是圖1中的強化換熱管的阻力系數f隨雷諾數Re的變化圖。圖9是圖1中的強化換熱管的強化傳熱綜合性能評價指標PEC隨雷諾數Re的變化圖。在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-渦桿，2-弧形桿，3-支撐桿，4-換熱管。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。請參閱圖1至圖3，本專利技術第一實施方式提供的強化換熱管，其包括適用于換熱管的插入式強化換熱組件及換熱管4，所述插入式強化換熱組件設置在所述換熱管4內。本實施方式中，所述插入式強化換熱組件結合核心流強化以及邊界流強化的方式，以強化所述換熱管的換熱能力。所述插入式強化換熱組件包括支撐桿3及多個間隔固定在所述支撐桿3上的強化換熱擾流單元。本實施方式中，所述支撐桿3的長度方向與所述換熱管4的軸向平行；所述支撐桿3上有多個間隔設置的安裝節點，多個所述強化換熱擾流單元分別固定在多個所述安裝節點上。所述強化換熱擾流單元包括渦桿1及連接于所述渦桿1的弧形桿2，所述渦桿1固定連接于所述支撐桿3的安裝節點，所述弧形桿2與所述渦桿1垂直連接。本實施方式中，所述渦桿1相對于所述支撐桿3傾斜設置；所述渦桿1包括固定端及與所述固定端相背的連接端，所述固定端固定連接于所述支撐桿3，所述連接端垂直連接于所述弧形桿2的中心，即所述弧形桿2相對于所述連接端對稱設置；所述弧形桿2的弧面與所述換熱管4的內壁面平行設置。所述強化換熱擾流單元與所述換熱管4的內壁面之間的最小距離為H，其中0＜H≤0.05D，D為所述換熱管4的內徑。所述渦桿1用于形成縱向渦以擾動流體的核心流區域，進而強化核心流區域的傳熱；所述弧形桿2用于擾動流體的邊界層以進行局部的強化傳熱。本實施方式中，所述渦桿1及所述弧形桿2均由圓桿加工而成，所述渦桿1垂直于自身長度方向的橫截面及所述弧形桿2垂直于自身長度方向的橫截面均為圓形，可以理解，在其他實施方式中，可以為其他形狀，如三角形、橢圓形等；每個安裝節點安裝一個所述強化換熱擾流單元，可以理解，在其他實施方式中，每個安裝節點可以安裝其他數量的強化換熱擾流單元，如兩個、三個等，每個安裝節點安裝的多個所述強化換熱擾流單元對稱分布或者不對稱分布。采用數值模擬研究所述強化換熱管的性能，計算模型參數如下：所述換熱管4是內徑D為18mm的圓管，所述支撐桿3的直徑Dr為2mm，所述渦桿1及所述弧形桿均為直徑d為1mm的細桿；所述渦桿1與所述支撐桿3形成的夾角α為30°；所述弧形桿2的圓心位于所述支撐桿3的中心軸上，其半徑R＝8mm，所述弧形桿2對應的圓心角θ優選地為36°，所述強化換熱擾流單元與所述換熱管4的內壁面之間的最小距離為H為0.5mm，即H＝0.028D；所述強化換熱擾流單元以2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適用于換熱管的插入式強化換熱組件，其包括收容在換熱管內的支撐桿及多個間隔設置在所述支撐桿上的強化換熱擾流單元，其特征在于：所述支撐桿沿所述換熱管的軸向設置，其上設置有多個間隔設置的安裝節點；所述強化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿與所述支撐桿傾斜設置；所述渦桿包括固定端和連接端，所述固定端連接于所述節點，所述連接端與所述弧形桿垂直連接；所述弧形桿相對于所述渦桿對稱設置，且其弧面與所述換熱管的內壁面相互平行；所述強化換熱擾流單元與所述換熱管的內壁面之間的最小距離大于零且小于等于所述換熱管內徑的0.05倍。

【技術特征摘要】
1.一種適用于換熱管的插入式強化換熱組件，其包括收容在換熱管內的支撐桿及多個間隔設置在所述支撐桿上的強化換熱擾流單元，其特征在于：所述支撐桿沿所述換熱管的軸向設置，其上設置有多個間隔設置的安裝節點；所述強化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿與所述支撐桿傾斜設置；所述渦桿包括固定端和連接端，所述固定端連接于所述節點，所述連接端與所述弧形桿垂直連接；所述弧形桿相對于所述渦桿對稱設置，且其弧面與所述換熱管的內壁面相互平行；所述強化換熱擾流單元與所述換熱管的內壁面之間的最小距離大于零且小于等于所述換熱管內徑的0.05倍。2.如權利要求1所述的適用于換熱管的插入式強化換熱組件，其特征在于：所述強化換熱擾流單元的排布密度為每米29個。3.如權利要求1所述的適用于換熱管的插入式強...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉志春，張凱，李鵬霄，劉偉，楊金國，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42