[发明专利]一种强化传热管

说明书

技术领域

本发明属于传热强化和换热器技术领域，具体涉及一种带有沿轴向间隔分布的旋流单元的强化传热管。

背景技术

传统的强化单相对流换热机理可以归纳为四种：(1)减薄热边界层；(2)增加流体的扰动；(3)扩展传热表面；(4)改变换热表面的物理性质等。其主要从提高流体与换热壁面的对流换热系数及改善传热壁面的物理和几何特征入手进行强化传热。由于这些方法均基于换热表面，因而可称为边界流传热强化，或表面传热强化。

传统的强化传热管一般包括螺旋槽纹管、横槽纹管、多纵向涡强化管、单面纵槽管、缩放管、波纹管等。此外管内插入物技术是一种常用的强化传热技术，常用的管内插入物有扭带、螺旋线圈、绕花丝以及静态混合器等。但是传统的管内插入物技术常常将插入物填充整个流动区域，这样，传热虽然得到了大大的强化，但是阻力增加也是非常显著的，特别是在湍流区域，阻力增加更为显著。其原因是：由于边界附近流体的速度梯度、粘性扩散以及动量耗散的增大，使得流体与表面间的剪切力、摩擦力以及流体的耗散功有不同程度的增加。这样就使得传统的边界层强化传热理论进行强化时遇到一个矛盾：传热强化的同时，流动阻力也会增加，若流动阻力成为矛盾的主要方面，甚至可能会弱化换热的综合效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种强化传热管，该强化传热管可以较大程度地提高其总体传热性。

本发明提供的强化传热管，其特征在于：它包括传热管体、连接杆和至少二个旋流单元，连接杆在传热管体内沿轴向放置，各旋流单元安装在连接杆上；旋流单元由2至6个旋流叶片构成，各旋流叶片沿周向均匀安装连接杆上，设各旋流叶片与传热管体之间间距为h，0＜h≤0.25D，D为传热管体的内径。

本发明重新审视了受限空间传热和流动的关系，提出核心流强化传热方式，认为在受限空间的所占空间比较小的核心流区域添加沿流向间隔布置的内插物，使其端部不接触管壁，此时，管内流动和传热就会具有以下特征：(1)核心流区域温度均匀；(2)对边界层流体的流动状态影响较小；(3)不增加流场的速度梯度；(4)减少连续扩展面。这样的特征对受限空间产生的影响，一方面不会造成较大的流动阻力，另一方面，可以改变温度分布，使核心流区域的温度分布非常均匀，而边界层区域则形成了较大的温度梯度，从而改变了传热特性，使换热强化，使强化管的综合性能大为改善。具体而言，本发明与现有技术相比具有以下显著特点：

(1)每个旋流叶片单元至少由2个旋流叶片构成，但不多于6个。

构成每个旋流单元的旋流叶片沿周向对称分布，且每个旋流叶片的安装角度相同。这样，流体在经过旋流单元时，会充分形成旋流，达到流体混合的目的。

(2)旋流单元沿传热管轴向间隔布置，且至少布置2个旋流单元。

旋流单元对管内流体流动起到很好的组织作用，当管内流体经过旋流单元时，形成一种衰减的旋流，使流体混合均匀，当旋流衰减到一定程度之后，再经过一个旋流单元，使得旋流又得到恢复，核心流体的混合作用又得到增强，这样在壁面形成一个等效的边界层，因而传热得到强化。

(3)旋流单元位于传热管内较小的核心流区域，不与壁面接触。

这样旋流单元只对核心流中较小区域的流体有扰动混合作用，对壁面流体的影响较小，因而流动阻力增加不大，而传热得到了强化，对于湍流时，优势更明显。

(4)各个旋流单元沿轴向分布式布置。

旋流单元沿传热管轴向分布式布置，旋流单元间的距离以在能形成有效旋流的前提下，间距尽可能大，这样，传热强化的同时，连续表面增加不多，因而阻力也增加不多。

(5)沿传热管轴向分布式布置旋流单元的优势还在于，从两个方面减小了连续扩展面：一方面使旋流单元在流通截面上的面积比较小，另一方面沿流动方向上的面积大为减小，因而基于核心流强化传热理论的旋流单元内插物的流动阻力与连续表面内插物相比，流动阻力大幅度减少。

附图说明

图1为本发明强化传热管的结构示意图；

图2为旋流单元的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为旋流叶片的结构示意图；

图4为旋流单元的另一种具体实施方式的结构示意图；

图5为旋流单元下游10mm处的速度场；

图6为旋流单元下游150mm处的速度场；

图7为旋流单元下游10mm处的温度场；

图8为旋流单元下游150mm处的温度场；

图9为不同旋流叶片数目下努塞尔数Nu随雷诺数Re的变化；