利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法及应用

1.本发明属于无源强化传热领域，特别涉及利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法及应用。


背景技术：

2.在化工、冶金、航天航空、民用建筑等众多领域中，换热器都承担着不可替代的重要作用，而其中换热管对换热效率起着重要作用。换热管外表面易进行换热强化如拓展表面，增大流体流速；而内表面由于接触面积的限制，其换热效率还有很大的提升空间。为了充分提高管内换热性能，研究人员已经开发出多种强化传热管，如内螺纹管、波节管、横纹管。结合这些换热管分析得出，提高管内换热效率的理念都是对流体进行扰动，破坏边界层，强化流体在壁面处对流换热效率。


技术实现要素：

3.根据破坏、扰动边界层的理念，本发明的目的在于提供一种利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法及应用。
4.一方面，利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法，其特征在于，在换热管内壁面布置间断螺旋内肋，所述间断螺旋内肋沿轴向间断布置，内肋前端带有由点至面缓和渐变的迎流曲面，所述间断螺旋内肋末端带有由面至点缓和渐变的背流曲面。
5.优选地，间断螺旋内肋截面形状可以是但不限于矩形、半椭形、三角形、圆顶矩形和梯形。
6.优选地，间断螺旋内肋沿管内壁缠绕旋转并与轴向有一定的螺旋角度，螺旋角度推荐18
°
≤α≤ 30
°
。
7.优选地，间断螺旋内肋结构参数当雷诺数在3200~9600区间内时推荐如下范围：肋宽a小于, din为换热管肋基内径；肋高h范围0.03d≤h≤0.08d；肋长0.5d≤l≤2d。
8.优选地，迎流曲面与背流曲面结构相同，迎流曲面及背流曲面带有与肋主体相同的螺旋角度。
9.优选地，迎流曲面及背流曲面的长度b范围1h≤b≤3.5h，迎流曲面及背流曲面端点切角γ范围根据迎流曲面及背流曲面的长度b和肋高h决定为≤γ≤90
°
,迎流曲面及背流曲面与肋主体平滑相连。
10.另一方面，利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法的应用体现在，前后两组相邻间断肋的旋转方向可以相同或相反。排列方式可为顺排、叉排或递进式排列。
11.优选地，肋的头数16≤n≤40，轴向间隔距离p不超过1d。
12.优选地，制作材料可以是但不限于低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金等具有一定塑性的金属。
13.优选地，带有迎流/背流曲面的间断螺旋内肋换热管可以但不限于用普通金属圆管轧辊、冲压、镶嵌或粘贴制作而成。
14.本发明的有益效果为：本发明中的利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法对流动扰动强烈，流体在流经含肋段后，能依旧保持有沿螺旋方向的旋转速度，使其在无肋光滑段保持对管内流体的扰动，能同时对含肋段和光滑段起强化传热作用。另外，因迎流曲面的存在，流体流经迎流曲面时，不会造成阻力的骤增，对阻力系数的提高较小；因背流曲面的存在，流体从含肋段流入光滑段时，不会产生流动死区，避免产生回流。具有比较好的综合性能系数,经数值计算分析如附图4所示，此新型结构换热管的综合性能系数pec可达2.0~3.4。同时，管内间断肋结构对抗结垢有较好的效果。
附图说明
15.附图1为利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法实施例1的示意图，（a）是轴测图、（b）是正视图、（c）是侧视图；附图2为利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法实施例2中间断螺旋内肋结构示意图。（a）为间断螺旋内肋的轴测图、（b）是迎流曲面正视图、（c）是迎流曲面俯视图。
16.附图3为不同截面形状的间断螺旋肋主体沿螺旋方向横截面示意图，（a）为矩形截面肋、（b）为半椭形截面肋、（c）为三角形截面肋、（d）为圆顶矩形截面肋、（e）为梯形截面肋。
17.附图4为实施例1和实施例2的综合性能系数效果图。
具体实施方式
18.本发明提出一种强化传热效果好、流动阻力损失小、加工制造简单的通过间断螺旋内肋强化管内传热的方法及应用。其可采用铜、不锈钢等材料通过辊扎、模压方式加工而成。下面结合附图和两个具体实施例对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
19.实施例1利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法，如附图1所示。其肋基管径为8.96mm，在内壁布置周期性间断的40头螺旋角度为18
°
的内肋，肋主体形状为三角形，肋基宽度0.35mm，肋高0.3mm，迎流曲面及背流曲面各长1mm，肋主体长8mm，总肋长10mm，轴向间距为10mm，两组前后相邻间断肋旋转方向不同，顺排。此例换热管综合性能系数在雷诺数3200~9600区间内，达2.05~2.3。
20.实施例2利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法，其肋结构如附图2所示。其肋基管径为8.96mm，在内壁布置周期性间断的28头螺旋角度为18
°
的内肋，肋主体形状为圆顶矩形，肋基宽度0.35mm，肋高0.3mm，迎流曲面及背流曲面各长1mm，肋主体长7mm，总肋长9mm，轴向间距为5mm，两组前后相邻间断肋旋转方向不同，递进式排列。此例换热管综合性能系数在雷诺数3200~9600区间内，达3.00~3.44。


技术特征：
1.利用带有迎流/背流曲面的间断螺旋内肋强化管内传热性能的方法，其特征在于，在换热管内壁面布置间断螺旋内肋，所述间断螺旋内肋沿轴向间断布置，内肋前端带有由点至面缓和渐变的迎流曲面，所述间断螺旋内肋末端带有由面至点缓和渐变的背流曲面。2.根据权利要求1所述利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法,其特征在于，间断螺旋内肋截面形状可以是但不限于矩形、半椭形、三角形、圆顶矩形和梯形。3.根据权利要求1所述利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法，其特征在于，间断螺旋内肋沿管内壁缠绕旋转并与轴向有一定的螺旋角度，螺旋角度推荐18
°
≤α≤30
°
。4.根据权利要求1所述利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法，其特征在于，间断螺旋内肋结构参数当雷诺数在3200~9600区间内时推荐如下范围：肋宽a小于,din为换热管肋基内径；肋高h范围0.03d≤h≤0.08d；肋长0.5d≤l≤2d。5.根据权利要求1所述利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法，其特征在于，迎流曲面与背流曲面结构相同，迎流曲面及背流曲面带有与肋主体相同的螺旋角度。6.根据权利要求1所述利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法，其特征在于，迎流曲面及背流曲面的长度b范围1h≤b≤3.5h，迎流曲面及背流曲面端点切角γ范围根据迎流曲面及背流曲面的长度b和肋高h决定为≤γ≤90
°
,流曲面及背流曲面与肋主体平滑相连。7.根据权利要求1所述利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法的应用体现在，前后两组相邻间断肋的旋转方向可以相同或相反,列方式可为顺排、叉排或递进式排列。8.根据权利要求1所述利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法的应用，特征在于，肋的头数16≤n≤40，轴向间隔距离p不超过1d。9.根据权利要求1利用带有迎流/背流曲面的间断螺旋内肋强化管内传热性能方法及应用,其特征在于，制作材料可以是但不限于低合金钢、不锈钢、铜、铜镍合金等具有一定塑性的金属。10.根据权利要求1所述利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法的应用,其特征在于，带有迎流/背流曲面的间断螺旋内肋换热管可以但不限于用普通金属圆管轧辊、冲压、镶嵌或粘贴制作而成。

技术总结
本发明公开了一种属于强化传热技术领域的利用带迎/背流曲面间断螺旋肋强化管内传热方法及应用，该方法在管内壁布置间断螺旋肋，肋截面形状可为矩形、半椭形、三角形、圆顶矩形和梯形，肋端有迎流/背流曲面。肋沿管内壁旋转，螺旋角度18


技术研发人员：李论 周国兵
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2021.05.25
技术公布日：2022/11/24