CN101182977A - 内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，包括传热管基体、管外菱形肋和管内螺旋沟槽，所述的传热管基体、管外菱形肋和管内螺旋沟槽为一体化结构，管外菱形肋彼此间断，并沿轴向成螺旋状分布构成整个管壁外表面的三维扩展表面，管内螺旋沟槽交叉分布在传热管基体内，并呈左右旋向地成对出现。本发明利用管外三维菱形肋在增大传热面积的同时，破坏滞流边界层、提高了对流换热系数和冷凝换热系数，同时，管内成交叉分布的螺旋沟槽可诱发二次分离流，从而促进湍流程度加剧，提高管内对流换热系数，且增加抗阻垢能力。另外，本发明适用范围广，而且在同样换热条件下，结构紧凑，节约金属材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种强化传热管，特别涉及一种内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管。
背景技术
管壳式换热器是目前应用最广的换热设备，普遍存在于能源动力、石油化工、冶金材料等工业领域。它也是合理利用与节约现有能源、开发新能源的关键设备，约占全部换热器的70％。为了降低管壳式换热器的重量，减少换热设备的体积，节能降耗，应力求强化其传热过程。其中，将管壳式换热器的基本元件——传热管，由光滑管改为强化传热管是实现其高效、紧凑换热的主要途径。
目前，较为常用的强化传热管有螺旋槽管、螺旋横纹(螺纹管)、扭曲椭圆管、螺旋凹槽管、横槽纹管、波纹管、内翅管及管内插入强化物质，但它们有各自的特点和适用范围。螺旋槽管是通过滚压机械加工，在管外表面成型为螺旋凹槽，以及管内表面相应成型为螺旋凸起，以使得管内流体获得部分旋转，有利于减薄边界层，并通过周期性扰动来破坏湍流边界层，主要应用于单相流体的换热，螺旋横纹(螺纹管)和螺旋凹槽管与螺旋槽管的传热机理与特性类似，均对低Re(雷诺数)的换热强化有较明显的效果，但对高Re的换热强化却不大。波纹管是通过专用模具将薄壁碳钢管或不锈钢管加工成内外均为连续波纹曲线的，其纵截面波形由大小圆弧相切组成。这种传热管具有一定的自除垢功能，抗阻垢能力较好。但传热性能，在相同Re下，不如螺旋槽管。另外也存在以下一些不足：(1)产生的管内流动阻力较大、压降大；(2)承压能力只有光滑管的1/10左右，不能应用于中高压场合；(3)在低Re下，或高粘性流体换热场合，强化传热的效果不太明显。(4)用于降膜蒸发时，易在流量较大时出现液膜的飞溅、脱体现象，传热性能下降。扭曲椭圆管由压扁和扭转两个过程制成，管子任一截面处均为长圆形，是一种螺旋扭曲的椭圆形截面管，其强化传热机理是通过管内螺旋扭曲椭圆形通道，使流体产生旋转和二次涡流扰动。该种传热管的不足之处：一是对低Re的换热强化效果不明显，仅在高Re下，与光滑圆管相比，扭曲椭圆管管内的对流换热系数可提高35％-55％；二是换热增强的同时，管内阻力也增加，且增长量相当大。内翅管和管内插入强化物质，如双螺旋弹簧管主要用于管内的单相对流换热和相变换热，内翅管管内单相对流换热强化的机理是：翅的扰流强化和换热表面积的增加，两者对换热的贡献大致相当，不足之处在于管内翅表面易于结垢。双螺旋弹簧管是利用细弹簧丝加工成双螺旋弹簧，采用钎焊工艺将双螺旋弹簧与管壁焊接在一起，从而实现换热的强化，其层流换热强化效果显著，但管内阻力增加也较明显，较适合于洁净介质的传热。
在许多管壳式换热器中，如在电力生产中广泛使用的高压给水加热器和低压给水加热器等，它们的管内给水对流换热系数与管外蒸汽凝结换热系数相当，因而强化该类换热器的传热就必须采用双侧强化传热管。但在机车车辆、重型机械、发电机中广泛使用的冷油器等换热器中，管内水侧的对流换热系数远大于壳程油侧对流换热系数，传热热阻在壳程(管外)油侧，因此，用于冷油器的传热管应采用双侧强化传热管，并且管外换热系数应高于管内换热系数。但上述的几种强化传热管要么只能强化单侧换热，要么强化换热的两侧存在换热系数不符合要求。
理论研究表明，对于高粘性、低流速换热器，强化传热应采用彼此间断的高肋片传热管，螺旋槽管、螺旋横纹(螺纹管)、扭曲椭圆管、螺旋凹槽管、横槽纹管、波纹管的管外无彼此间断的肋片。本发明专利申请人曾提出一种内螺旋外棘齿型双面强化传热管(中国专利，ZL03274468.4)，其主要原理是利用管外壁的三维扩展表面强化传热的机理，通过机加工在管外表面成翅，滚压，在管表面形成曲面棘齿翅片，以提高管外换热系数。由于结构上的原因，这种传热管的棘齿翅片高较小，且管内螺旋沟槽为单向。对于高黏度，如油品的单相对流换热，其强化传热效率仍有一定限度，对管内的结垢仍未能很好地解决。到目前为止，还没有出现一种既能达到强化管内外传热要求，又能防止结垢，且结构简单，节省材料的强化换热管，从而使管壳式换热器在使用上受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在不能兼顾管内外传热效果、传热系数低、抗垢和防垢功能差且金属板材消耗量大的缺陷，提供一种内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管。
本发明可以通过以下技术方案予以实现：一种内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，包括传热管基体、管外菱形肋和管内螺旋沟槽，所述的传热管基体、管外菱形肋和管内螺旋沟槽为一体化结构，管外菱形肋彼此间断，并沿轴向成螺旋状分布构成整个管壁外表面的三维扩展表面，管内螺旋沟槽交叉分布在传热管基体内，并呈左右旋向地成对出现。
本发明所述的管外菱形肋是由左旋多头外凸矩形螺纹与右旋内凹单头或多头矩形螺纹相互交叉形成的，或由右旋多头外凸矩形螺纹与左旋内凹单头或多头矩形螺纹相互交叉形成，且与管轴线或管外壁面垂直。外凸矩形螺纹的螺距大于内凹矩形螺纹的螺距，外凸矩形螺纹的螺距为100～200mm，内凹矩形螺纹的螺距为20～50mm。外凸矩形螺纹螺旋角β为60°～80°，内凹矩形螺纹螺旋角α为110°～150°。矩形螺纹轴向截面宽度相等或不相等，所形成的菱形肋外形体积相应地相等或不相等。菱形肋的轴向间距为0.5～3.5mm，菱形肋片厚为0.7～2.5mm，菱形肋片高为1.2mm～4.5mm。
本发明所述的管内螺旋沟槽是由左旋内凹单头或多头螺旋沟槽与右旋内凹单头或多头螺旋沟槽相互交叉形成的，且左、右螺旋沟槽的螺距为2～6mm，沟槽深0.20mm～2.5mm。管内螺旋沟槽的截面形状是梯形、圆弧形、三角形、矩形或多边形，且管内螺旋沟槽的左螺旋角θ1与右螺旋角θ2相等或不相等，左螺旋角θ1与右螺旋角θ2均为75°～85°。
本发明所述的传热管基体、管外菱形肋和管内螺旋沟槽的材料是铜、铜合金、铝、铝合金管、碳素钢或其他金属材料。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1、本发明所述管外菱形肋、管内螺旋沟槽与管基体为一体化结构，无接触热阻，管外利用相互间断的菱形肋强化对流换热或冷凝换热，管内利用交叉螺旋沟槽强化对流换热，这样可充分兼顾管内和管外对强化换热的要求；
2、本发明利用管外三维菱形肋在增大传热面积的同时，破坏滞流边界层，提高了对流换热系数和冷凝换热系数；
3、本发明的管内成交叉颁布的螺旋沟槽可诱发二次分离流，从而促进湍流程度加剧，提高管内对流传热系数，增加抗阻垢能力，保持持久的优良换热性能；
4、本发明与管径参数相同的光滑管相比，在冷凝工况下，单管总传热系数可提高120％以上，在单位面积对流换热工况下，总传热系数可提高80％以上，而管内压降却增加不明显，在同样换热条件下，结构紧凑，节约金属材料，是一种高效能双侧强化传热管，可广泛应用于管外侧传热膜系数较小的场合。
附图说明
图1是本发明的三维结构图；
图2是本发明的局部三维结构图；
图3是本发明的轴向视图；
图4是本发明的正视图；
图5是本发明的轴向剖面示意图。
附图中标记说明：
1-菱形肋；2-传热管基体；3-螺旋沟槽；
t-管壁外侧的菱形肋片高度；β-外凸矩形螺纹螺旋角；
α-内凹矩形螺纹螺旋角；
δ1-管壁外侧的菱形肋片轴向宽度；δ2-管壁外侧的菱形肋片轴向间距；
θ1-螺旋沟槽的左螺旋角；θ2-螺旋沟槽的右螺旋角；
F1-左螺旋沟槽的导程(或螺距)；F2-右螺旋沟槽的导程(或螺距)；
b-螺旋沟槽的沟槽深
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的具体实施方式作详细描述。
如图1所示，管壁的外侧面为本发明所述的菱形肋，内侧面为交叉螺旋沟槽，图2给出了发明的局部三维结构图，图3给出了本发明的轴向视图，图4给出了本发明的正视图，图5给出了本发明的轴向剖面示意图。本发明结合了螺旋凹槽管、螺旋槽管、波纹管、内翅管和锯齿形翅片传热管在强化冷凝传热和对流传热的优点，并避免了它们的不足。
如图1至图5所示，本发明在传热管外表面设有16～45条均匀分布的、高度相同的外凸矩形螺纹，同时在传热管外表面还设有1～5条与上述旋向相反的、均匀分布的内凹螺旋沟槽。内凹螺旋沟槽将外凸矩形螺纹切割成许多成螺旋状分布的菱形肋，这些菱形肋构成特殊的三维扩展表面。每个菱形肋与传热管外管壁为一体化结构，且与周围的4个菱形肋在沟槽底相互断开，每个菱形肋的侧面与管壁或管轴线垂直。管外菱形肋的高度越高，比表面积越大，其管外换热强化也越好，但同时也增加了管外流体的阻力。因此，每个菱形肋片高t可以取为1.2mm～4.5mm，轴向间距δ2＝0.5～3.5mm，，肋片厚δ1＝0.7～2.5mm。
在传热管的内侧面设有一左一右成对出现的、单头或多头右旋螺旋沟槽和左旋螺旋沟槽，右旋螺旋沟槽和左旋螺旋沟槽相互交叉，构成本发明传热管内侧螺旋沟槽。管内螺旋沟槽的深度越深，导程(或螺距)越小，其管内强化对流传热系数也越大，但同时也增加了管内流体的压降。因此，每条螺旋沟槽的螺旋角θ1或θ1可以取为75°～85°，导程(或螺距)F1或F2＝2～6mm，沟槽深b＝0.20mm～2.5mm。
本发明上述的这种独特结构，具有很强的涡旋核心，有利于扰动气液两相流动状态，降低滞流底层的厚度和热阻，因而具有高的传热效果。再者，应用无缝管一体化生产技术，保证了外表面、内表面和管基体结构的完整性，消除了因焊缝造成的热阻增大等质量问题及形状错位等的缺陷。本发明适用于强化高黏度流体的对流换热、多组分蒸汽冷凝和含不凝性气体的水蒸汽冷凝、无相变流体的对流换热等，具有换热系数高、比传热表面大和抗垢和防垢的特点，可广泛应用于动力能源、石油化工等领域中各种高粘度油品的换热，水蒸汽的冷凝等换热器，以代替光管或低翅片螺纹管、螺旋槽管等。
本发明的原理及作用如下：
本发明强化管外对流传热的机理是：管外沿轴向成螺旋状分布的菱形肋是三维间断性肋片，当用于单相对流换热时，这种间断性肋片可周期性割断肋片上流体的滞留层，使流体流向不断改变并和边界层剥离，强烈地降低了滞流层的厚度。同时，流体流过菱形肋之间的间隙时，可产生强烈的扰动，诱发的二次流(螺旋流和边界层分离流)进一步减薄了流体滞留层的厚度，这对降低热阻、提高换热系数非常有利。对于传热阻力集中在粘性底层的高Prandtl(普朗特)数油流体来说，这种结构的三维间断性肋片强化传热效能更佳。
另一方面，流体在螺旋流道内流动时，与菱形肋作剪切运动，由于流体的运动惯性使得流动边界层和传热边界层不断地分离。分离后，流体就会产生涡旋，发生流体对菱形肋壁面的冲击，能使壁面边界层流体微团与主流区流体微团加强质量和动量的交传和更替，使对流传热得到强化。
当本发明用于两相冷凝换热时，具有特殊的三维扩展表面结构的菱形肋能充分发挥冷凝液表面张力作用，使近壁面的连续相造成过热或过冷状态促进相变，并把菱形肋顶部冷凝下来的液滴拉入凹处，使得外凸的菱形肋处的薄膜很快更新，有助于促成冷凝液的不断产生，并迅速从菱形肋顶部流向两肋之间的间隙根部处，并在螺旋力的作用下快速从肋片管上排除，这样会增强液膜内的扰动，其效果是提高了管外侧冷凝侧传热系数，降低了冷凝液热阻，使传热过程得到了强化。
本发明强化管内对流传热的机理是：管内壁的螺旋沟槽使靠近壁面的一部分流体产生附加的螺旋流动，这样会提高流体的流速，使流体做旋转运动，使热阻减小，传热得到增强；与此同时，壁面附近的另一部分流体受交叉螺旋沟槽所产生的螺旋状凸肋的作用，在凸肋后侧产生逆向压力梯度，并引发二次分离流，促进了流体径向混合，使主流流体和边界层流体混合程度增大，从而加快由壁面至流体主体的热量传递。
由于本发明在管内壁设有交叉的螺旋沟槽，该交叉的螺旋沟槽可使管内流体在低Re下，产生螺旋流动并引发的二次分离流，使流体呈现湍流状态，对管壁具有较好的冲洗作用，介质沉积机会减少，充分延长了结垢的诱导期，同时交叉的螺旋沟槽在轴向的局部曲率变化，也能迫使已经形成的垢层重新裂开脱落，加上分离流的作用，实现自动除垢效果。
本发明的实施可用光滑管为毛坯，采用专用的轧管机并用挤压和少/无切削加工的方式进行，管内和管外分步加工。其加工方法如下：
将铜、铝或钢质光滑管置于专用的轧管机上，插入到成正三角形排列的特制模具中，夹紧模具，沿轴向慢慢拉出钢管，随着挤压量的增加，金属沿径向和轴向流动，通过径向和轴向挤压使金属塑性变形形成多头外凸矩形螺纹。然后，更换上另一套专用刀具，反向旋转管件，专用刀具令金属产生塑性变形而形成凹入的螺旋沟槽，它把前一步加工成形的金属外凸矩形螺纹切开成左右两部分，两部分的厚度分别为菱形肋片轴向宽度δ1和菱形肋片轴向间距δ2，上述两步加工时模具和刀具的进给量构成菱形肋片高度t。通过这两步加工，便可成形管外侧的成螺旋状分布的菱形肋1。最后，将一特制滚槽刀插入管内进行少切削和挤压加工，滚槽刀通过挤压管内侧壁的材料可以形成左旋螺旋沟槽，再反向旋转管件，通过滚槽刀进一步挤压管内侧壁的材料可形成右旋螺旋沟槽，左旋螺旋沟槽和右旋螺旋沟槽的相互交叉，即可成形管内壁的交叉螺旋沟槽表面。经过以上几道工序，便可将钢光滑管毛坯加工成本发明。表1是一个本发明的具体例子：
表1
| 管外径D(mm) | 管内径d(mm) | 管外几何参数 | |||||||||
| 肋片高度t/mm | 肋片轴向间距W1/mm | 菱形肋片厚W2/mm | 外凸矩形螺纹的螺距L1/mm | 内凹矩形螺纹的螺距L2/mm | 外凸矩形螺纹螺旋角β/0 | 内凹矩形螺纹螺旋角α/0 | |||||
| 50 | 40 | 2.5 | 2 | 1.1 | 150 | 23 | 71.56 | 114.7 | |||
| 管外径D(mm) | 管内径d(mm) | 管内几何参数 | |||||||||
| 螺旋沟槽的左螺旋角θ1/0 | 螺旋沟槽的右螺旋角θ2/0 | 左螺旋沟槽的导程(或螺距)F1/mm | 右螺旋沟槽的导程(或螺距)F2/mm | 螺旋沟槽的沟槽深b/mm | |||||||
| 50 | 40 | 72.4 | 72.4 | 3.5 | 3.5 | 1.5 | |||||
实施例
现以火力发电厂冷油器改造为例来说明本发明的效果：
某电厂铜光滑管冷油器的传热效率低，导致无法将油温冷却到给定值，使得相关的设备出现故障，影响电站的正常运行。现用钢管制造本发明，结构参数如上述本发明的具体例子，以替代冷油器中原有的铜管，进行无铜化改造。
改造后，在同工况下，采用本发明的冷油器比铜光滑管冷油器的总传热系数高28％～54％。这表明：尽管钢管导热系数不到铜管的一半，但本发明的总传热效能要高于铜光滑管。这是由于本发明传热管外表面三维菱形肋是不连续的、并沿管壁成螺旋状分布，能降低油流体滞流底层的厚度和热阻，且比表面积是铜光滑管的3倍，对于高黏性油来说，这种形式的粗糙元强化传热效能比低翅片螺纹管、螺旋槽管等更佳。
Claims (10)
1.一种内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，包括传热管基体、管外菱形肋和管内螺旋沟槽，其特征在于：所述的传热管基体、管外菱形肋和管内螺旋沟槽为一体化结构，管外菱形肋彼此间断，并沿轴向成螺旋状分布构成整个管壁外表面的三维扩展表面，管内螺旋沟槽交叉分布在传热管基体内，并呈左右旋向地成对出现。
2.根据权利要求1所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述的管外菱形肋是由左旋多头外凸矩形螺纹与右旋内凹单头或多头矩形螺纹相互交叉形成的，或由右旋多头外凸矩形螺纹与左旋内凹单头或多头矩形螺纹相互交叉形成，且与管轴线或管外壁面垂直。
3.根据权利要求2所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述的外凸矩形螺纹的螺距大于内凹矩形螺纹的螺距，外凸矩形螺纹的螺距为100～200mm，内凹矩形螺纹的螺距为20～50mm。
4.根据权利要求2或3所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述的外凸矩形螺纹螺旋角为60°～80°，内凹矩形螺纹螺旋角为110°～150°。
5.根据权利要求4所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述的矩形螺纹轴向截面宽度相等，所形成的菱形肋外形体积相应地相等。
6.根据权利要求5所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述的菱形肋的轴向间距为0.5～3.5mm，菱形肋片厚为0.7～2.5mm，菱形肋片高为1.2mm～4.5mm。
7.根据权利要求6所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述的管内螺旋沟槽是由左旋内凹单头或多头螺旋沟槽与右旋内凹单头或多头螺旋沟槽相互交叉形成的，且左、右螺旋沟槽的螺距为2～6mm，沟槽深0.20mm～2.5mm。
8.根据权利要求7所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述的管内螺旋沟槽的截面形状是梯形、圆弧形、三角形或矩形。
9.根据权利要求8所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述的管内螺旋沟槽的左螺旋角的取值为75°～85°，右螺旋角的取值为75°～85°。
10.根据权利要求1所述的内交叉螺旋外三维菱形肋双侧强化传热管，其特征在于：所述传热管基体、管外菱形肋和管内螺旋沟槽的材料是铜、铜合金、铝、铝合金或碳素钢。
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