專利名稱：斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于換熱器傳熱零部件領(lǐng)域，特別涉及一種斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng) 化傳熱元件。具體說(shuō)是將翼型(三角翼、矩形翼、梯形翼)渦發(fā)生器立面彎曲成 半圓柱面或半橢圓柱面形式，以一定迎流攻角和陣列方式布置在翅片管或板翅式 換熱器翅片上或其它通道流換熱器板面上，從而誘導(dǎo)端部縱向渦旋和根部馬蹄渦 系耦合減薄或破壞緊貼壁面的邊界層或加大紊流強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式強(qiáng)化換熱，提高 換熱器效能。
背景技術(shù)：
氣一液或氣一氣(汽)熱交換設(shè)備廣泛地應(yīng)用于能源、石化、制冷、建筑、 冶金、食品加工、航空及其它一些工業(yè)的動(dòng)力過(guò)程系統(tǒng)，并在其中占有相當(dāng)重要 的投資份額。如何改進(jìn)和優(yōu)化換熱器設(shè)計(jì)，提高傳熱性能，以降低其動(dòng)力和金屬 消耗、節(jié)省能源和空間、成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過(guò)程中必須解決的課題。近年來(lái)，在 傳熱強(qiáng)化技術(shù)的推動(dòng)下，涌現(xiàn)出各種設(shè)計(jì)新穎、具有高性能換熱表面的緊湊式熱 交換器，開(kāi)發(fā)和研究所關(guān)注的焦點(diǎn)是提高單位面積的傳熱速率和降低摩擦阻力。
在氣體流動(dòng)熱交換器內(nèi)，摩擦阻力的限制迫使設(shè)計(jì)者選擇較低的質(zhì)量流速， 氣體的低質(zhì)量流速和低導(dǎo)熱系數(shù)(低于絕大多數(shù)液體)導(dǎo)致單位傳熱表面的低傳 熱速率；對(duì)于氣一液熱交換器，氣體側(cè)的換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于液體側(cè)的換熱系數(shù)(空 氣側(cè)約為水側(cè)的1/70 1/40)，空氣側(cè)的熱阻通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)壁面熱阻和液側(cè)熱阻， 而成為所謂傳熱過(guò)程的控制熱阻，因此換熱器的性能往往受限于氣側(cè)的換熱，改 善氣側(cè)換熱是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。
強(qiáng)化氣側(cè)換熱的方法從原理上可以有提高工質(zhì)流速、消除流體流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的 旋渦死滯區(qū)、增加流體的擾動(dòng)與混合、破壞流體邊界層或?qū)恿鞯讓拥陌l(fā)展、改變 換熱面表面狀況等。作為無(wú)相變的單相流體，氣側(cè)熱阻主要在邊界層或?qū)恿鞯讓樱?設(shè)法減薄邊界層或?qū)恿鞯讓拥暮穸仁怯行У姆绞?。按照所采用的?qiáng)化措施中是否 需要外界提供能量可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式需要利用外部能量來(lái)達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，它包括機(jī)械手段、表面振動(dòng)、流體振動(dòng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和噴射沖擊等。
被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)不需要直接使用外界動(dòng)力，包括采用處理表面、粗糙表 面、擴(kuò)展表面、擾流裝置、旋渦流裝置、螺旋管和添加劑等。
以上所列是強(qiáng)化氣側(cè)傳熱的常用手段。雖方法繁多，但大多強(qiáng)化傳熱方法的 共同點(diǎn)在于通過(guò)擾動(dòng)以減薄或破壞緊貼壁面的邊界層或加大紊流強(qiáng)度。誘導(dǎo)渦旋 強(qiáng)化換熱是一種被動(dòng)的、有目的的依靠產(chǎn)生二次流來(lái)強(qiáng)化傳熱的方法， 一種較為
常見(jiàn)的方法是利用渦發(fā)生器(Vortex Generator,以下簡(jiǎn)稱VG)，該方法因其經(jīng)濟(jì) 實(shí)用近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于縱向渦旋在強(qiáng)化傳熱方面的積極效果，縱 向渦發(fā)生器成為人們研究的焦點(diǎn)。主要以翼型、柱型縱向渦發(fā)生器為主。
傳統(tǒng)的翼型渦發(fā)生器如三角翼、矩形翼、梯形翼由于產(chǎn)生較強(qiáng)的端部縱向渦 旋而具有較強(qiáng)的強(qiáng)化換熱效果，但由于摩擦和形狀阻力較大，導(dǎo)致流動(dòng)壓降也比 較大；柱型渦發(fā)生器(如圓柱、橢圓柱)根部產(chǎn)生馬蹄渦系，雖形狀阻力小，但 強(qiáng)化換熱效果差些。申請(qǐng)人以前曾提出一種斜截半橢圓柱體渦流發(fā)生器，在其端 部產(chǎn)生端部縱向渦，在根部形成馬蹄渦系。兩種渦簇的共同作用使強(qiáng)化傳熱效果 明顯增強(qiáng)，同時(shí)其流線型柱面使形狀阻力大為減小。但由于加工難度較大，耗材 和制造成本較大。本發(fā)明提出的斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件解決了這一 問(wèn)題，更加實(shí)用可靠，對(duì)于提高換熱器效能、節(jié)能節(jié)材有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件，其特征在于，將翼型 渦發(fā)生器立面彎曲成半圓柱面或半橢圓柱面形式，以迎流攻角々和陣列方式布置 在翅片管或板翅式換熱器翅片上或通道流換熱器板面上，從而誘導(dǎo)端部縱向渦旋 和根部馬蹄渦系耦合減薄、或破壞緊貼壁面的邊界層、或加大紊流強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)被動(dòng) 式強(qiáng)化換熱，提高換熱器效能；所述翼型為矩形翼、梯形翼或三角翼中的一種。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的斜截柱面翼式渦發(fā)生器不僅在根部產(chǎn)生了持 久的三維馬蹄渦系，并且由于其斜邊的存在而產(chǎn)生較強(qiáng)端部縱向渦，消除了翼后 回流區(qū)。端部縱向渦和馬蹄渦系的這種綜合作用，不僅強(qiáng)度大而且比較持久，強(qiáng)烈地沖巻壁面，對(duì)邊界層層流底層起到擾動(dòng)和破壞作用，使得流體和壁面之間的 對(duì)流換熱有效增強(qiáng)。另外，重要的是由于其流線型表面，使得形狀阻力減小，從 而降低了流動(dòng)壓力損失，減少流體輸送能耗。此種渦流發(fā)生器可有金屬或其它易 彎曲成型材料加工，具有制造簡(jiǎn)單，安裝方便的特點(diǎn)。


圖1為斜截柱面翼式渦發(fā)生器外形和結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖l(a)為正視圖； 圖l(b)為側(cè)視圖；圖l(C)為俯視圖。
圖2為斜截柱面翼式渦發(fā)生器在換熱器翅片布置示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種強(qiáng)化換熱效果好、流動(dòng)阻力損失小、加工制造簡(jiǎn)單、安裝方 便的斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件。所述斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱
元件，是將矩形翼以一立邊頂部為始向另一立邊依cc角斜切而成梯形翼或三角翼
(如圖l(a)所示)，再將其立面以a/b曲率彎制成半圓柱面或半橢圓柱面形式； 或先將矩形翼立面以a/b曲率彎制成半圓柱面或半橢圓柱面形式，再自一立邊頂 部向另一立邊依cc角斜切而成(如圖l(b)、圖l(c)所示)。矩形翼的長(zhǎng)、高、厚 度尺寸或比例以換熱器形式和流道尺寸相應(yīng)設(shè)計(jì)要求而定；斜切角Ot在0"至對(duì)角 線與水平線夾角之間變化；立面構(gòu)成不同曲率的半橢圓柱面或半圓柱面，a/b在 0-1之間變化，a/b=0時(shí)半橢圓柱面即演變成平面，a/b二l時(shí)半橢圓柱面即演變成 半圓柱面；矩形翼的長(zhǎng)、高、厚度尺寸或比例以換熱器形式和流道尺寸相應(yīng)設(shè)計(jì) 要求而定如圖1;
所述渦發(fā)生器材料可采用但不局限于換熱器本身材料或其它易切割、彎曲安 裝的材料(包括金屬)。其材料耐溫及其它性質(zhì)應(yīng)滿足換熱器允許工作條件要求。
所述渦發(fā)生器在換熱器板、翅面或通道流中的安裝方式可采用但不局限于焊 接、粘接、鉚接、嵌入或沖壓等方式。
所述渦發(fā)生器在換熱器板、翅面或通道流中的布置方式依換熱器形式、結(jié)構(gòu) 及設(shè)計(jì)要求而定，可以但不局限于成對(duì)、多排、多歹U;順排、順列或錯(cuò)排、錯(cuò)列； 其前后左右相互間距以及在換熱器板、翅面或通道流中的相對(duì)位置依換熱器、運(yùn)行條件等設(shè)計(jì)要求而定。其迎流攻角^可以在0°-90°范圍內(nèi)變化(如圖2所示)， 但不局限于此范圍。
權(quán)利要求
1. 斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件，其特征在于，將翼型渦發(fā)生器立面彎曲成半圓柱面或半橢圓柱面形式，以迎流攻角β和陣列方式布置在翅片管或板翅式換熱器翅片上或通道流換熱器板面上，從而誘導(dǎo)端部縱向渦旋和根部馬蹄渦系耦合減薄、或破壞緊貼壁面的邊界層、或加大紊流強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式強(qiáng)化換熱，提高換熱器效能；所述翼型為矩形翼、梯形翼或三角翼中的一種。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件，其特征在于， 將矩形翼以一立邊頂部為始向另一立邊依斜切角度a斜切而成梯形翼或三角翼， 再將其立面以a/b曲率彎制成半圓柱面或半橢圓柱面形式；或先將矩形翼立面以 a/b曲率彎制成半圓柱面或半橢圓柱面形式，再自一立邊頂部向另一立邊依斜切 角度a斜切而成，其斜切角度a在(T至對(duì)角線與水平線夾角之間變化；半橢圓柱 面的短軸半徑與長(zhǎng)軸半徑之比a/b在0-1之間變化，a/b=0時(shí)半橢圓柱面即演變 成平面，a/b二l時(shí)半橢圓柱面即演變成半圓柱面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件，其特征在于， 所述渦發(fā)生器材料選用換熱器本身材料或包括金屬在內(nèi)的易切割、易彎曲安裝的 材料，其材料耐溫應(yīng)滿足換熱器允許工作條件的要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件，其特征在于， 所述渦發(fā)生器在換熱器板、翅面或通道流中的安裝方式采用焊接、粘接、鉚接、 嵌入或沖壓方式。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于換熱器傳熱零部件領(lǐng)域的一種斜截柱面翼式渦發(fā)生器強(qiáng)化傳熱元件。是將翼型渦發(fā)生器立面彎曲成半圓柱面或半橢圓柱面形式，以一定迎流攻角和陣列方式布置在翅片管或板翅式換熱器翅片上或其它通道流換熱器板面上，從而誘導(dǎo)端部縱向渦旋和根部馬蹄渦系耦合減薄或破壞緊貼壁面的邊界層或加大紊流強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式強(qiáng)化換熱，提高換熱器效能。另外，重要的是由于其流線型表面，使得形狀阻力減小，從而降低了流動(dòng)壓力損失，減少流體輸送能耗。此種渦流發(fā)生器可有金屬或其它易彎曲成型材料加工，具有制造簡(jiǎn)單，安裝方便的特點(diǎn)，在氣-液或氣-氣熱交換器中有著廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。
文檔編號(hào)F28F21/00GK101532798SQ20091008129
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者周國(guó)兵 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)