專利名稱：圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化傳熱元件，特別是一種圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，屬傳熱強(qiáng)化和換熱器技術(shù)領(lǐng)域。
與常規(guī)的傳熱強(qiáng)化技術(shù)不同，過增元等(Guo Z.Y，Mechanism and Control of ConvectiveHeat Transfer—Coordination of Velocity and Heat Flow Field，Chinese Science Bulletin，46(7)596-599 Apr.2001.)從流體速度場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同的角度提出了傳熱強(qiáng)化的新方法——“場(chǎng)協(xié)同原理”，即提高場(chǎng)的協(xié)同程度(減小速度矢量與溫度梯度矢量的夾角、增加速度場(chǎng)的均勻程度等等)就能在阻力增加較少的條件下強(qiáng)化傳熱。管流中的對(duì)流換熱，如果能形成徑向流動(dòng)，就能顯著改善速度場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同程度，從而強(qiáng)化傳熱。這就是管內(nèi)二次流或渦流的出現(xiàn)能強(qiáng)化傳熱的本質(zhì)原因。
中國(guó)發(fā)明專利“交叉橢形截面換熱管”(申請(qǐng)?zhí)?0136122.8，發(fā)明專利公報(bào)第18卷第31期)提出了一種新的換熱管，這種換熱管由若干橢圓管段組成，相鄰橢圓管段的橢圓長(zhǎng)軸之間相交一定角度(一般為60度或90度)。這種設(shè)計(jì)較好地符合“場(chǎng)協(xié)同原理”，因而有比較大的傳熱強(qiáng)化效果，流動(dòng)阻力的增加也不大。然而該專利技術(shù)仍然存在明顯的不足，主要是1、流動(dòng)阻力還可以更小、2、橢圓管耐壓能力較差，限制了它在高壓條件下的應(yīng)用、3、當(dāng)用這種換熱管制造換熱器時(shí)，由于橢圓管段的方向問題，使換熱器中的折流板或折流桿的設(shè)計(jì)制造有些麻煩。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，其特征在于它由若干圓管段、橢圓管段和圓—橢圓過渡段所組成，所述圓管段和橢圓管段依次周期排列，而且相鄰橢圓管段的橢圓長(zhǎng)軸之間交叉15～90度角。
本發(fā)明所述的橢圓管段橫截面形狀采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓或近似橢圓或兩條直線加兩個(gè)圓弧構(gòu)成的扁圓形或多段弧線擬合的對(duì)稱和近似對(duì)稱的扁圓形。
上述技術(shù)方案中，各個(gè)圓管段可以等長(zhǎng)或不等長(zhǎng)；各個(gè)橢圓管段可以等長(zhǎng)或不等長(zhǎng)，各個(gè)圓—橢圓過渡段可以等長(zhǎng)或不等長(zhǎng)。所述各圓管段的長(zhǎng)度與其內(nèi)徑之比為0.5~10；所述各橢圓管段的長(zhǎng)度與圓管段內(nèi)徑之比為1~10；所述橢圓管外徑的長(zhǎng)軸與短軸之比為1.1~2.5，優(yōu)選值為1.3～1.7。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的換熱管的內(nèi)表面或外表面或內(nèi)、外表面可以采用光滑表面，也可以采用低肋表面或螺紋表面。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出型進(jìn)步①所獲得的大尺度二次流(渦流)，不是靠外界插入物產(chǎn)生，而是靠管子沿程截面形狀變化所致，因此流動(dòng)阻力小；②所獲得的二次流是縱向渦(渦的方向與流向平行)，它與管內(nèi)的橫向渦(渦的方向垂直于流動(dòng)方向)相比，速度場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)有更好的協(xié)同程度，而且沿程衰減慢，因此能具有更好的傳熱強(qiáng)化性能。與其他強(qiáng)化換熱管相比，在相同泵(風(fēng)機(jī))功耗下，本發(fā)明具有更好的傳熱性能；與“交叉橢形截面換熱管”相比，在相同的傳熱能力下具有流動(dòng)阻力更小，其流動(dòng)阻力減小10％以上；耐壓能力更高，管壁內(nèi)應(yīng)力小，承壓能力提高30％；而且消除了設(shè)計(jì)制造折流板和折流桿時(shí)所遇到的麻煩，設(shè)計(jì)、加工、裝配更方便。本發(fā)明適用范圍廣，既能用于單相流體傳熱強(qiáng)化，亦可用于流動(dòng)沸騰、流動(dòng)冷凝等相變換熱強(qiáng)化；既用于管內(nèi)傳熱強(qiáng)化，亦使管外傳熱得到強(qiáng)化。除此之外，本發(fā)明的強(qiáng)化換熱管由于管截面形狀和大小的頻繁變化，非常有利于阻止污垢的形成，用本發(fā)明強(qiáng)化管制造的管殼式換熱器，其管束的振動(dòng)要比用普通圓管制造的大為減輕，使換熱器的使用壽命大大提高。
圖2為

圖1的E-E視圖。
圖3為橢圓管段內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，近壁區(qū)域呈現(xiàn)了8個(gè)縱向渦。
圖1是本發(fā)明提供的圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管的結(jié)構(gòu)示意圖。該強(qiáng)化換熱管由若干個(gè)圓管段1、橢圓管段2、圓—橢圓過渡段3和兩端進(jìn)口圓管段4所組成。圓管段的長(zhǎng)度Lc根據(jù)耐壓、流動(dòng)阻力、安裝折流板或折流桿的要求來取，一般Lc/d＝0.5~10，其中d是圓管的內(nèi)徑。各個(gè)圓管段的長(zhǎng)度可以等長(zhǎng)也可以不等長(zhǎng)。兩端圓管段長(zhǎng)度Lo可以取管板厚度的2～4倍，視它與管板裝配的需要而定，在滿足裝配需要的前提下取小值。橢圓管段的長(zhǎng)度Le根據(jù)強(qiáng)化傳熱的要求來取，一般Le/d＝1~10。各個(gè)橢圓段的長(zhǎng)度可以等長(zhǎng)也可以不等長(zhǎng)。橢圓管段橫截面形狀為標(biāo)準(zhǔn)橢圓或近似橢圓或兩條直線加兩個(gè)圓弧構(gòu)成的扁圓形或多段弧線擬合的對(duì)稱和近似對(duì)稱的扁圓形。橢圓(扁圓)管外徑長(zhǎng)、短軸之比取A/B＝1.1~2.5，優(yōu)選用A/B＝1.3~1.7。相鄰兩橢圓管段，其橢圓(扁圓)的長(zhǎng)軸之間有一個(gè)夾角C(見圖2，E-E視圖)，取C＝15～90度角，優(yōu)選C等于60度和90度兩種；若換熱器中換熱管按四邊形排列，取C＝90度，若換熱管成三角形排列，取C＝60度。圓—橢圓過渡段的長(zhǎng)度Lt取Le/2≥Lt≥0.1d，推薦選用小值，各個(gè)過渡段的長(zhǎng)度可以等長(zhǎng)也可以不等長(zhǎng)。
本發(fā)明“圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管”的內(nèi)表面、外表面或內(nèi)、外表面既可以是光滑表面(例如用普通圓管通過輥軋或模壓或在軋制無縫管時(shí)一次成形)，也可以是低肋表面或螺紋表面(例如用低肋管或螺紋管來制造)，形成周期性的圓—豎橢圓—圓—橫橢圓—圓….結(jié)構(gòu)(見圖1、圖2)。在控制橢圓度不要太高的情況下，這種管子的沿程流通面積變化不大，但由于截面形狀的急劇變化，使流體在同一個(gè)截面上實(shí)現(xiàn)了一部分收縮而另一部分放大，其結(jié)果形成了4個(gè)或6個(gè)或8個(gè)渦流的二次流(見圖3)，從而大大改善了管內(nèi)流體速度場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)的協(xié)同。帶低肋表面的稱為“低肋圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管”；帶螺紋表面的稱為“螺紋圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管”。低肋的和螺紋的“圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管”既具有場(chǎng)協(xié)同強(qiáng)化傳熱的作用又具有擴(kuò)展表面強(qiáng)化傳熱的作用，強(qiáng)化傳熱的效果更好，但流動(dòng)阻力相應(yīng)增大，而且對(duì)工作流體的清潔程度要求嚴(yán)格。這兩類“圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管”更適合用于工作流體不含纖維和顆粒，且粘度較大、流動(dòng)速度很小的場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，其特征在于它由若干圓管段、橢圓管段和圓—橢圓過渡段所組成，所述圓管段和橢圓管段依次周期排列，而且相鄰橢圓管段的橢圓長(zhǎng)軸之間交叉15～90度角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，其特征在于所述的橢圓管段橫截面形狀為標(biāo)準(zhǔn)橢圓或近似橢圓或兩條直線加兩個(gè)圓弧構(gòu)成的扁圓形或多段弧線擬合的對(duì)稱和近似對(duì)稱的扁圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，其特征在于其中的各個(gè)圓管段可以等長(zhǎng)或不等長(zhǎng)；各個(gè)橢圓管段可以等長(zhǎng)或不等長(zhǎng)，各個(gè)圓—橢圓過渡段可以等長(zhǎng)或不等長(zhǎng)。
4.據(jù)權(quán)利要求3所述的圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，其特征在于所述各圓管段的長(zhǎng)度與其內(nèi)徑之比為0.5～10；所述各橢圓管段的長(zhǎng)度與圓管內(nèi)徑之比為1～10；所述橢圓管外徑的長(zhǎng)軸與短軸之比為1.1～2.5，優(yōu)選值為1.3～1.7。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，其特征在于相鄰橢圓管長(zhǎng)軸之間交叉角優(yōu)選為60度和90度。
6.據(jù)權(quán)利要求1所述的圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，其特征在于所述的換熱管的內(nèi)表面或外表面或內(nèi)、外表面可以為光滑表面也可以為低肋表面或螺紋表面。
全文摘要
圓—橢圓截面交叉縮放強(qiáng)化換熱管，涉及一種強(qiáng)化傳熱元件。它是由若干圓管段、橢圓管段和圓—橢圓過渡段所組成，所述圓管段和橢圓管段依次周期排列，而且相鄰橢圓管段的橢圓長(zhǎng)軸之間交叉15～90度角。本發(fā)明是根據(jù)“場(chǎng)協(xié)同原理”設(shè)計(jì)的，其優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力小，速度場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)有更好的協(xié)同程度，因此具有更好的傳熱強(qiáng)化性能，在設(shè)計(jì)制造折流板和折流桿時(shí)，加工和裝配更方便。本發(fā)明適用范圍廣，既能用于單相流體傳熱強(qiáng)化，亦可用于流動(dòng)沸騰、流動(dòng)冷凝等相變換熱強(qiáng)化；由于管截面形狀和大小的頻繁變化，非常有利于阻止污垢的形成，用本發(fā)明制造的管殼式換熱器，其管束的振動(dòng)要比用普通圓管制造的大為減輕，從而使換熱器的使用壽命大大提高。
文檔編號(hào)F28F1/00GK1447088SQ0310476
公開日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者過增元, 孟繼安, 胡桅林, 李志信 申請(qǐng)人:清華大學(xué)