一种采用中空结构球床的强化换热管

1.本发明属于制冷与能源技术领域，具体涉及一种采用中空结构球床的强化换热管。


背景技术：

2.作为一种常用的强化传热方式，在换热管内插多孔介质的方法有着广泛的应用。在众多类型的多孔介质中，球床多孔介质所具有的填充结构具有换热强，空间占用率低，寿命长等特点。这些特点使得球床多孔介质在能量交换、热量导出等方面拥有着很大优势。
3.2008年出版的《fusion engineering and design》报道的《heat transfer enhancement in sphere-packed pipes under high reynolds number conditions》文献中对随机堆积球床结构强化传热元件进行了论述。此文献充分证明了随机球床通道换热效率远高于光管换热管以及内插物为纽带的换热管。
4.尽管随机堆积球床这种形式的多孔介质使得管内流体换热得到增强，却也使得流动阻力大大增加，综合换性能较差。因此，有必要发明一种换热能力强，流动阻力小的新型球床堆积结构。采用新型堆积结构的换热管将会有效的强化换热系数，减小流动阻力，提高换热管的综合强化性能，亦能更好地达到节能减排的目标。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能够高效的强化管内流体换热的采用中空结构球床强化换热管。
6.本发明的目的通过如下技术方案来实现：
7.一种采用中空结构球床的强化换热包括：换热管和中空结构球床；中空结构球床位于换热管内，中空结构球床由同种直径的球堆积而成；所述换热管直径与构成中空结构球床的球直径比值需控制在2到3之间，使得换热管内形成了高度螺旋有序稳定的环状层，中心处留有自由流动的空间。
8.本发明还可以包括：
9.1、所述中空结构球床的球遵循严格的分次填充、小幅震动工艺要求，确保通道内每次增加的颗粒均处在正确的位置后再填充新的颗粒。
10.2、所述中空结构球床的球遵循严格的分次填充、小幅震动工艺要求堆积初始颗粒层，形成初始的中心孔道后放入一根硬质材料的棒体预先占据这一位置，随后进行大量的颗粒填充。
11.本发明的有益效果在于：
12.1、本发明在换热管内采用了中空结构球床。中空结构球床采用紧密堆积方法，单个颗粒层的颗粒分布较为规则、紧凑，可以自发的形成完全贯穿的中心孔道，具有结构简单，易于实现的优点。
13.2、本发明采用的中空结构球床使得传热管内流体流动具有径向分流强的特点，这
种径向分流强化了传热管的换热能力。并且，中空结构球床内部填充球体排列具有对称性，同样有利于传热管的换热。
14.3、本发明的强化换热管直径与构成中空结构球床的球直径比值需控制在2到3之间，这种方式使得换热管内形成了高度螺旋有序稳定的环状层，中心处会留有自由流动的空间，流动阻力远小于传统采用的随机结构球床的换热管。
附图说明
15.图1是采用中空结构球床的强化换热管截面图。
16.图2是中空结构球床的三维效果图。
17.图3是采用中空结构球床的强化换热管的阻力系数随入口流速的变化图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明做进一步描述。
19.根据图1，本发明包括换热管1和中空结构球床2，中空结构球床2位于换热管1内，本发明通过控制堆积方式以及强化换热管1直径与构成中空结构球床2的球直径比使得传热管自发地形成完全贯穿的中心孔道。
20.根据图2，本发明所述的中空结构球床2采用同种直径的球堆积而成，其可以通过两种填充方法获得。第一种方法遵循严格的分次填充、小幅震动工艺要求，确保通道内每次增加的颗粒均处在正确的位置后再填充新的颗粒。如此循环直至整个通道构建完成。第二种方法是第一种方法基础上的一种改进形式，操作更加便捷。首先采用第一种方法堆积初始颗粒层，形成初始的中心孔道后放入一根硬质材料的棒体预先占据这一位置，随后进行大量的颗粒填充。
21.下面结合具体数据对本发明进行描述：换热管管径d＝40.9mm，球直径d分别为14.2mm，15mm以及16.2mm。d/d分别为2.88，2.727和2.525。换热管内的流动工质为水。采用数值模拟商业软件star-ccm+对新型强化换热管内的流体传热及流阻进行了模拟与计算，并与随机球床与规则球床结构的换热管进行了对比与分析，对比结果如附图3所示。
22.根据图3，展示了3种中空结构球床强化换热管在压降方面与随机球床与规则结构球床换热管的比较情况。相对于随机结构球床换热管，在压降表现上，三种中空结构球床强化换热管按照径比递增的顺序压降分别降低了76.9％、83.9％和87.6％；相对于规则结构球床换热管，压降分别降低了40.21％、52.7％和63.8％。证明本发明具有流动阻力小的优点。
23.当入口流速为0.2m/s时，径比为2.525的中空结构球床换热管的平均换热系数分别为6134.448w/m2·
k，相对于同等工况下随机结构球床传热管的换热系数5238.549w/m2·
k增加了17％。证明了本发明具有换热能力强的优点。
24.对于本领域的技术人员而言，可根据以上描述的技术方案及构思进行调整，如调整强化换热管1直径与构成中空结构球床2的球直径比值(2到3之间)、结构材料以及中空通道尺寸等，用以应对不同换热管1的需求，进而增强换热，减少阻力，所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围。


技术特征：
1.一种采用中空结构球床的强化换热管，其特征在于：包括换热管(1)和中空结构球床(2)；中空结构球床(2)位于换热管(1)内，中空结构球床(2)由同种直径的球堆积而成；所述换热管(1)直径与构成中空结构球床(2)的球直径比值需控制在2到3之间，使得换热管内(1)形成了高度螺旋有序稳定的环状层，中心处留有自由流动的空间。2.根据权利要求1所述的一种采用中空结构球床的强化换热管，其特征在于：中空结构球床(2)的球遵循严格的分次填充、小幅震动工艺要求，确保通道内每次增加的颗粒均处在正确的位置后再填充新的颗粒。3.根据权利要求2所述的一种采用中空结构球床的强化换热管，其特征在于：中空结构球床(2)的球遵循严格的分次填充、小幅震动工艺要求堆积初始颗粒层，形成初始的中心孔道后放入一根硬质材料的棒体预先占据这一位置，随后进行大量的颗粒填充。

技术总结
本发明的目的在于提供一种采用中空结构球床的强化换热管，包括换热管和中空结构球床；中空结构球床位于换热管内，中空结构球床由同种直径的球堆积而成；所述换热管直径与构成中空结构球床的球直径比值需控制在2到3之间，使得换热管内形成了高度螺旋有序稳定的环状层，中心处留有自由流动的空间。本发明在换热管内采用了中空结构球床。中空结构球床采用紧密堆积方法，单个颗粒层的颗粒分布较为规则、紧凑，可以自发的形成完全贯穿的中心孔道，具有结构简单，易于实现的优点。易于实现的优点。易于实现的优点。


技术研发人员：郭泽华 王金成 满天明 丁铭 边浩志 孙中宁 张楠 孟兆明
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2021.11.10
技术公布日：2022/1/6