專(zhuān)利名稱(chēng):一種可以產(chǎn)生縱向渦的換熱元件及其元件對(duì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種可以產(chǎn)生縱向渦的換熱元件及其元件對(duì),屬于強(qiáng)化換熱技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
自從進(jìn)入二十一世紀(jì),能源問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的能耗卻遠(yuǎn)高于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,故提高能源 用率和節(jié)能是解決我國(guó)能源問(wèn)題的最有效途徑。絕大部分的能源利用都是通過(guò)熱能和各種換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而強(qiáng)化傳熱可以提高傳熱設(shè)備的熱性能、降低傳熱溫差和減少泵功耗,因此強(qiáng)化傳熱對(duì)于節(jié)能和提高能源利用率起到關(guān)鍵作用。根據(jù)對(duì)象和條件的不同,人們研發(fā)了各種各樣的強(qiáng)化傳熱技術(shù),其中縱向渦強(qiáng)化傳熱技術(shù)就是其中一種。當(dāng)流體橫越過(guò)某障礙物時(shí),往往會(huì)在障礙物的背面空間產(chǎn)生回旋,這些渦旋有利有弊。如果障礙物的橫向尺寸有限,并且與來(lái)流的流體相交成合適的角度,則產(chǎn)生的渦旋將不會(huì)滯留于某一空間內(nèi),而會(huì)隨主流向前運(yùn)動(dòng),從而形成一系列的有序縱向渦旋,即縱向渦。這些縱向渦旋的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng),促進(jìn)了主流區(qū)與傳熱壁面附近的流體間的動(dòng)量和能量的交換,強(qiáng)烈的擾動(dòng)對(duì)邊界層起到減弱或破壞作用,因而使傳熱增強(qiáng)??傊?,采用縱向渦傳熱強(qiáng)化技術(shù),是一種更有效的提高換熱器的傳熱效率的途徑。近年來(lái)有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了縱向渦強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究,李曉偉在其博士論文中提到了一種新型不連續(xù)交叉肋板片,其數(shù)值分析和流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)表明,該肋片板間產(chǎn)生了包括前縱向渦、后縱向渦及主縱向渦等一系列縱向渦,揭示了其強(qiáng)化換熱的物理機(jī)制,比目前常用的人字形板片同功耗換熱強(qiáng)化25%以上。他還用數(shù)值計(jì)算和流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)方法對(duì)肋參數(shù)對(duì)流動(dòng)和換熱的影響進(jìn)行了分析,給出了不連續(xù)交叉肋板片的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。經(jīng)以上可以分析出,該交叉肋加工方便,可以產(chǎn)生高質(zhì)量的縱向渦旋,且強(qiáng)化換熱效果比較好,目前是一種較先進(jìn)的縱向渦強(qiáng)化換熱擾流元件,然而其同功耗換熱指標(biāo)尚有大幅的上升空間。在大多數(shù)強(qiáng)化傳熱的過(guò)程中都存在這樣一個(gè)問(wèn)題換熱效果越好,壓力損失就越大,采用縱向渦傳熱強(qiáng)化技術(shù)亦是如此。如何在提高換熱系數(shù)的同時(shí)盡量使壓力損失增長(zhǎng)較小,即提聞其同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo),是提聞?chuàng)Q熱器整體效能的關(guān)鍵。由此可見(jiàn),有必要提出一種新的縱向渦旋產(chǎn)生元,這種元件的幾何外形可在不連續(xù)十字交叉肋的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),而換熱效果要明顯好于傳統(tǒng)的不連續(xù)交叉肋,而且同功耗換熱性能也要大幅提聞。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出一種新的縱向渦旋擾流元件,這種元件所產(chǎn)生的縱向渦旋的質(zhì)量要好,與不連續(xù)交叉肋相比,換熱效果和同功耗強(qiáng)化換熱性能都明顯提高。該元件是一種可以產(chǎn)生縱向渦的用于強(qiáng)化換熱的元件,該元件的形狀為正方形截面的螺旋狀柱體。設(shè)過(guò)初始正方形中心的直線(xiàn)為主軸線(xiàn),將主軸線(xiàn)外一點(diǎn)繞該主軸線(xiàn)順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)角度α并沿主軸線(xiàn)前進(jìn)長(zhǎng)度L得到一條螺旋線(xiàn),螺旋線(xiàn)半徑為r;將上述初始正方形沿該條螺旋線(xiàn)正交拉伸長(zhǎng)度L,即可得到螺旋柱體;上述螺旋線(xiàn)即是螺旋柱體的軸線(xiàn)。該換熱元件的參數(shù)有效范圍為a/L在10 60之內(nèi),單位為度/_,設(shè)定拉伸終止時(shí)的正方形與初始正方形相同,則α須為90°的整數(shù)倍;肋凸出換熱表面的高度與肋高之比e在O. 25 I之內(nèi);上述肋與流體來(lái)流方向所成攻角β在0° 90°范圍內(nèi)。上述換熱元件凸起于換熱表面內(nèi)部,且換熱表面與上述主軸線(xiàn)平行。根據(jù)所述的可以產(chǎn)生縱向渦的強(qiáng)化換熱元件所形成的元件對(duì),其特征在于它由兩個(gè)上下交疊的強(qiáng)化換熱元件組成,整體形式為十字交叉式。新型的強(qiáng)化換熱元件的總體效果要顯著好于傳統(tǒng)的直肋,在有效α/L、e、β內(nèi),同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)提高范圍為30% 40%。新型強(qiáng)化換熱元件的換熱效果和壓力損失情況如下a/L在10 60之內(nèi),單位為度/mm,為保證旋轉(zhuǎn)終止時(shí)的正方形截面與初始正方形復(fù)位,α為90°的整數(shù)倍,同一流速下隨a/L的增加,流體掠過(guò)該肋后壓力損失降低而 換熱系數(shù)波動(dòng)不大,故同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)增大;a /L越大增長(zhǎng)率越小,當(dāng)a /L為60時(shí),增長(zhǎng)趨勢(shì)近于水平。凸起比例e的有效參數(shù)范圍為O. 25到I,在有效參數(shù)范圍內(nèi)隨e增大,壓力損失迅速增大,換熱系數(shù)也略有增加,而e越小,同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)越高,e小于O. 25后,同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)增長(zhǎng)非常緩慢。有效β參數(shù)范圍為O 90°,隨β增大,換熱系數(shù)波動(dòng)較小,壓力損失增大,尤其當(dāng)β超過(guò)30°后急劇增大;β=30°時(shí)同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)值最優(yōu)。流體掠過(guò)該新型換熱元件后,速度方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移,引發(fā)了二次流動(dòng);基于該換熱元件的螺旋特性,且出現(xiàn)了大小不一的縱向渦旋。這些縱向渦旋的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng),破壞并削薄了熱邊界層和速度邊界層,強(qiáng)化了主流區(qū)與邊界層區(qū)流體之間的動(dòng)量和能量交換,改善了對(duì)流換熱的速度場(chǎng)和熱流場(chǎng)的協(xié)同程度,故換熱效果明顯提高。
圖I是螺旋柱體生成示意圖;圖2是單壁面螺旋柱體幾何形狀圖;圖3是十字交叉后的螺旋肋俯視圖;圖4是十字交叉后的螺旋肋對(duì)在矩形通道內(nèi)的放置示意圖。圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)1.肋原始拉伸截面,2.螺旋線(xiàn),3.螺旋肋,4.平板換熱表面,5.矩形通道,6.螺旋肋對(duì),7.流體進(jìn)口,8.流體出口。
具體實(shí)施方式
參照附圖1,詳細(xì)介紹了單螺旋肋的構(gòu)造思路。將正方形[I]沿著該螺旋線(xiàn)[2]正交拉伸為一個(gè)螺旋狀的柱體[3]。螺旋線(xiàn)由軸線(xiàn)外一點(diǎn)以該直線(xiàn)為軸心順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)角度α前進(jìn)肋長(zhǎng)度L得到。在L=9mm的條件下,有效α參數(shù)為90°、180°、270°、360°、450°、540°。同一流速下隨α增加,流體掠過(guò)該肋后壓力損失降低而換熱系數(shù)波動(dòng)不大,故同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)增大;α越大增長(zhǎng)率越小,當(dāng)α為540°時(shí),增長(zhǎng)趨勢(shì)近于水平;α=540°比α=90°時(shí)同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)增大了 8%。參照附圖2,詳細(xì)介紹了單螺旋肋[3]的幾何外形以及在換熱表面[4]上的放置位置。肋凸起于換熱表面,凸肋與流體來(lái)流方向呈一定角度β,以凸肋與流體來(lái)流方向一致時(shí)為O。,在肋所在換熱表面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。有效β參數(shù)范圍為(Γ90°,隨β增大,換熱系數(shù)波動(dòng)較小,壓力損失增大,尤其當(dāng)β超過(guò)30°后急劇增大;經(jīng)計(jì)算后β=30°時(shí)同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)最好。凸起比例e的有效參數(shù)范圍為O. 25到1,隨e增大,壓力損失增大,換熱系數(shù)也略有增加,而e越小,同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)越高。參照附圖3,詳細(xì)介紹了兩個(gè)新型強(qiáng)化換熱元件上下錯(cuò)列十字交叉時(shí)的俯視平面圖。兩個(gè)螺旋肋上下錯(cuò)列十字交叉,傾斜方向相反,分別嵌入上、下?lián)Q熱內(nèi)表面。參照附圖4,詳細(xì)介紹了可以產(chǎn)生縱向渦的螺旋肋對(duì)[6]。經(jīng)對(duì)單肋的流場(chǎng)分析,可知,流體掠過(guò)單肋后產(chǎn)生了垂直于壁面的速度矢量,可產(chǎn)生大于180°的渦旋。當(dāng)兩個(gè)新 型肋呈十字交叉后,即可產(chǎn)生不斷前進(jìn)著的縱向渦旋。將該螺旋肋對(duì)置于矩形通道[5]內(nèi),流體從左側(cè)流入[7],掠過(guò)該肋對(duì)后由右側(cè)流出[8]。當(dāng)流體流過(guò)該螺旋肋對(duì)后,產(chǎn)生軸心與流體流動(dòng)方向一致的渦旋,流場(chǎng)與不連續(xù)十字交叉肋所形成的流場(chǎng)類(lèi)似,但更為復(fù)雜,大漩渦中包含著小漩渦,并可以影響到下游很廣的區(qū)域。該新型換熱元件肋對(duì)與傳統(tǒng)不連續(xù)十字交叉直肋相比,壓力損失提高了 35. 3%,換熱系數(shù)提高了 29. 4%,同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)提聞了 17%。
權(quán)利要求1.一種可以產(chǎn)生縱向渦的強(qiáng)化換熱元件,其特征在于 由肋和換熱表面組成; 上述肋的形狀為正方形截面的螺旋狀柱體,它是通過(guò)以下方式得到設(shè)過(guò)初始正方形中心的直線(xiàn)為主軸線(xiàn),將主軸線(xiàn)外一點(diǎn)繞該主軸線(xiàn)順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)角度α并沿主軸線(xiàn)前進(jìn)長(zhǎng)度L得到一條螺旋線(xiàn),螺旋線(xiàn)半徑為r ;將上述初始正方形沿該條螺旋線(xiàn)正交拉伸長(zhǎng)度L,即可得到一個(gè)螺旋柱體;螺旋線(xiàn)為螺旋柱體的軸線(xiàn);上述α為90°的整數(shù)倍,且a /L在10 60之內(nèi),單位為度/mm ;; 上述肋嵌于所述換熱表面內(nèi),且換熱表面與上述主軸線(xiàn)平行; 上述肋凸出換熱表面的高度與肋高之比e在O. 25 I之間;上述肋與流體來(lái)流方向所成攻角β在0° 90。范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可以產(chǎn)生縱向渦的強(qiáng)化換熱元件所形成的元件對(duì),其特征在于它由兩個(gè)上下交疊的強(qiáng)化換熱元件組成,整體形式為十字交叉式。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種可以產(chǎn)生縱向渦的換熱元件及其元件對(duì),屬于強(qiáng)化換熱領(lǐng)域。該元件由肋和換熱表面組成;上述肋的形狀為正方形截面的螺旋狀柱體,它是通過(guò)以下方式得到設(shè)過(guò)初始正方形中心的直線(xiàn)為主軸線(xiàn),將主軸線(xiàn)外一點(diǎn)繞該主軸線(xiàn)順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)角度α并沿主軸線(xiàn)前進(jìn)長(zhǎng)度L得到一條螺旋線(xiàn),螺旋線(xiàn)半徑為r;將上述初始正方形沿該條螺旋線(xiàn)正交拉伸長(zhǎng)度L,即可得到一個(gè)螺旋柱體;該元件所產(chǎn)生的縱向渦旋的質(zhì)量要好,與不連續(xù)交叉肋相比,換熱效果和同功耗強(qiáng)化換熱性能都明顯提高。
文檔編號(hào)F28F13/02GK202547480SQ20122016915
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者周雷, 岳晨, 梁林, 焦煒琦, 田智昀, 申耀陽(yáng), 蒲文灝, 趙錦杰, 郭新賢, 陳慧, 韓東, 鹿鵬 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)