专利名称：一种强化传热管的制作方法
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(l)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、縮放管、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，连接杆放置在传热管体内，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<hS0.25D， 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。
图1为本发明强化传热管的结构示意图2为旋流单元的一种具体实施方式
的结构示意图3为的旋流叶片的结构示意图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； 图10为不同旋流叶片数目下阻力系数随雷诺数Re的变化； 图11为不同旋流叶片数目下强化管综合性能评价指标PEC值随雷诺数 Re的变化。
具体实施方式
如图l所示，本发明提供的强化传热管包括传热管体3、连接杆2和至 少二个旋流单元l、 4，连接杆2放置在传热管体3内，各旋流单元均安装 在连接杆2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2上。各旋流叶片与传热管体3之间间距相等，设其间距为h， 0《h《0.25D， D为传热管体3的内径。
本发明对各旋流单元在连接杆2的安装位置并不作限定，可以应用的 场合均匀或不均匀布置。
各旋流单元所包含的旋流叶片可以不等，但相等时，可以更进一步地 提供其总体传热性。
下面通过借助以下实施例将更加详细说明本发明，且以下实施例仅是 说明性的，本发明并不受这些实施例的限制。
如图2所示，旋流单元由四片旋流叶片5、 6、 7和8沿周向均匀安装 在连接杆2上构成。旋流叶片5、 6、 7和8之间的安装角相等，均为0度， 且相邻旋流叶片间的夹角a为90度。
如图3所示，当二个旋流单元1和4分别由三个旋流叶片沿周向均匀 安装在连接杆2时，每组旋流单元的旋流叶片的安装角相等，均为0度， 且相邻旋流叶片间的夹角a为120度。旋流单元1和4间的相位角为y为 60度。
这样当流体从左侧进入传热管后，经过旋流单元之后，形成旋流，流 经一段距离之后，旋流逐渐减弱，此后，再经过下一个旋流单元，旋流又 重新组织起来，流体经过混合之后，核心区域的温度区域均匀，而对边界 附近的流体流动影响不大，因而与传统的连续内插物强化传热元件相比， 传热得到了强化，流动阻力增加不大，因而综合传热能力大为提高。
实例
采用如图2所示的旋流单元，相邻旋流单元相位角为0度。如图3所 示，旋流叶片5扭角为(3为50度，叶片为等截面，厚5为0.5mm，叶片底部宽度wl二2mm，端部宽w2为5mm，距中心高8mm，支撑叶片的连接杆 2直径为2mm。旋流单元1高度d=16mm，传热管体3内径D=20mm，旋 流单元1与传热管体3壁面的间距为2mm。旋流单元1安装位置距传热管 体3距离为40mm，旋流单元1和4的间距为80mm，旋流单元4距传热管 体3的出口距离为40mm。
图5~11为在内径为20mm，管长为960mm的圆管核心区域，均匀布置 数个轴向旋流单元，每个旋流单元用连接杆连接，旋流叶片的顶端与圆管 壁面有一定的距离。计算流体为水，雷诺数Re范围为3000~15000，边界 条件为给定均匀进口速度和进口温度；给定出口压力；管壁热流 15000W/m2，旋流叶片表面绝热。
由图5~6所示，在传热管体内均匀布置了 4个旋流单元，每个旋流单 元均包括3片旋流叶片(如图4所示)，在旋流单元下游10mm处，核心流 已呈现出对称的旋流，说明流体已被有效地扰动，而在叶片旋流单元下游 150mm处，核心流的速度场已较为均匀。图7 8则显示了在管内相应位置 的温度场，沿轴线方向管截面中心处的流体温度也较为均匀，从而使得管 壁附近流体的温度梯度显著提高，流体的换热得以强化。
当传感管包括四个旋流单元，各旋流单元包括的叶片数为3个或4个 时，其换热与阻力特性计算结果如图9 11所示。图中可见，采用4叶片的 旋流单元强化传热管的努塞尔数Nu和阻力系数都明显高于采用3叶片的旋 流单元的强化传热管，但前者的综合性能评价指标PEC值明显高于后者。 因此，管内旋流叶片的单元数以及每一旋流单元的叶片数对强化传热管的 换热与阻力特性影响明显，在雷诺数Re为3000-15000的范围内，其综合 性能评价指标PEC值均超过1.5，在较低Re数时可达1.9左右。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施 例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等 效或修改，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种强化传热管，其特征在于它包括传热管体(3)、连接杆(2)和至少二个旋流单元，连接杆(2)放置在传热管体(3)内，各旋流单元安装在连接杆(2)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(2)上，设各旋流叶片与传热管体(3)之间间距为h，0<h≤0.25D，D为传热管体(3)的内径。
2、 根据权利要求1所述的强化传热管，其特征在于旋流单元由4片 旋流叶片沿周向均匀安装在连接杆(2)上构成。
3、 根据权利要求1所述的强化传热管，其特征在于旋流单元由3片 旋流叶片沿周向均匀安装在连接杆(2)上构成。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的强化传热管，其特征在于各旋流 单元所包含的旋流叶片的片数的相等。
全文摘要
本发明公开了一种强化传热管，其特征在于它包括传热管体、连接杆和至少二个旋流单元，连接杆放置在传热管体内，各旋流单元安装在连接杆上；各旋流叶片与传热管体并不接触；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。采用该强化传热管，可以通过分布式旋流单元的扰流作用，使得核心区域的流体混合均匀，而对边界附近的流体扰动较小，因而传热得到强化，而阻力增加不多，克服了现有的扰流元件在湍流范围内不能应用的缺点。
文档编号F28F13/06GK101435673SQ20081023671
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者伟 刘, 刘志春, 明廷臻, 范爱武, 黄晓明 申请人:华中科技大学