本發(fā)明屬于換熱管擾流強(qiáng)化換熱領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于換熱管的插入式強(qiáng)化換熱組件及具有所述插入式強(qiáng)化換熱組件的強(qiáng)化換熱管。

背景技術(shù)：

強(qiáng)化換熱管因?yàn)槠涓咝Ы?jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于石油、冶金、化工和交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，在換熱器的應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。為了提高換熱效果，換熱器應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了強(qiáng)化換熱技術(shù)及理論。核心強(qiáng)化換熱理論提出了通過加強(qiáng)核心流區(qū)域的能量和質(zhì)量交換過程，使得核心流區(qū)域擴(kuò)大，溫度更加均勻的思路。這樣不僅使邊界層更薄，而且使得邊界層的溫度梯度變大，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果。還有一種是基于表面的強(qiáng)化換熱方式，通過對(duì)管壁附近的流體進(jìn)行擾動(dòng)，不斷破壞邊界層的發(fā)展，減薄邊界層的厚度，提高換熱能力。

強(qiáng)化換熱技術(shù)總體可以分為管程強(qiáng)化傳熱技術(shù)以及殼程強(qiáng)化傳熱技術(shù)，管內(nèi)插入物作為管程強(qiáng)化傳熱技術(shù)之一，因?yàn)閿_流元件的樣式及強(qiáng)化原理各式各樣，成為了近年的熱門研究對(duì)象和應(yīng)用對(duì)象。然而，現(xiàn)有的管內(nèi)插入物的強(qiáng)化換熱方式單一，換熱效率較低，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且不易加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種適用于換熱管的插入式強(qiáng)化換熱組件及強(qiáng)化換熱管，其結(jié)合核心強(qiáng)化以及邊界層強(qiáng)化的方式，針對(duì)所述插入式強(qiáng)化換熱組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所述強(qiáng)化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿傾斜設(shè)置于所述支撐桿上，所述渦桿用于形成縱向渦，所述縱向渦縱向發(fā)展的同時(shí)，自身產(chǎn)生漩渦，增加橫向擾動(dòng)，所述縱向渦能夠在流動(dòng)方向上加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，強(qiáng)化流體質(zhì)量和能量的交換過程；所述橫向擾動(dòng)雖然會(huì)使流動(dòng)阻力增加，但是也使壁面處和中心流區(qū)域的熱質(zhì)交換加強(qiáng)；所述弧形桿在邊界層進(jìn)行局部的強(qiáng)化傳熱，極大的提高了換熱效率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種適用于換熱管的插入式強(qiáng)化換熱組件，其包括收容在換熱管內(nèi)的支撐桿及多個(gè)間隔設(shè)置在所述支撐桿上的強(qiáng)化換熱擾流單元，其特征在于：

所述支撐桿沿所述換熱管的軸向設(shè)置，其上設(shè)置有多個(gè)間隔設(shè)置的安裝節(jié)點(diǎn)；

所述強(qiáng)化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿傾斜設(shè)置于所述支撐桿上；所述渦桿包括固定端和連接端，所述固定端連接于所述節(jié)點(diǎn)，所述連接端與所述弧形桿垂直連接；所述弧形桿相對(duì)于所述渦桿對(duì)稱設(shè)置，且其弧面與所述換熱管的內(nèi)壁面相互平行；所述強(qiáng)化換熱擾流單元與所述換熱管的內(nèi)壁面之間的最小距離優(yōu)選大于零且小于等于所述換熱管內(nèi)徑的0.05倍。

進(jìn)一步的，所述強(qiáng)化換熱擾流單元的排布密度為每米29個(gè)。

進(jìn)一步的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)固定連接三個(gè)所述強(qiáng)化換熱擾流單元，三個(gè)所述強(qiáng)化換熱擾流單元均勻分布；所述強(qiáng)化換熱擾流單元的排布密度為每米87個(gè)。

進(jìn)一步的，所述弧形桿垂直于自身中心軸的橫截面的形狀為三角形、圓形及橢圓形中的一種。

進(jìn)一步的，所述渦桿與所述支撐桿之間形成的傾斜角的角度為30°，所述弧形桿對(duì)應(yīng)的圓心角為36°。

進(jìn)一步的，所述渦桿垂直于自身長(zhǎng)度方向的橫截面的形狀為圓形。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種強(qiáng)化換熱管，其包括換熱管，所述強(qiáng)化換熱管還包括如上所述的適用于換熱管的插入式強(qiáng)化換熱組件。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明的適用于換熱管的插入式強(qiáng)化換熱組件及強(qiáng)化換熱管，所述強(qiáng)化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿與所述支撐桿傾斜設(shè)置，所述渦桿用于形成縱向渦，所述縱向渦縱向發(fā)展的同時(shí)，自身產(chǎn)生漩渦，增加橫向擾動(dòng)，所述縱向渦能夠在流動(dòng)方向上加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，強(qiáng)化流體質(zhì)量和能量的交換過程；所述橫向擾動(dòng)雖然會(huì)使流動(dòng)阻力增加，但是也使壁面處和中心流區(qū)域的熱質(zhì)交換加強(qiáng)；所述弧形桿在邊界層進(jìn)行局部的強(qiáng)化傳熱，極大的提高了換熱效率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施方式提供的強(qiáng)化換熱管結(jié)構(gòu)的左視圖。

圖2是圖1中的強(qiáng)化換熱管結(jié)構(gòu)的正視圖。

圖3是本發(fā)明第二實(shí)施方式提供的強(qiáng)化換熱管結(jié)構(gòu)的正視圖。

圖4是圖1中插入式強(qiáng)化換熱組件的弧形桿的中心所在橫截面的速度矢量圖。

圖5是圖4中的弧形桿的中心所在橫截面的溫度場(chǎng)圖。

圖6是圖4中的弧形桿的中心所在橫截面的流線圖。

圖7是圖1中的強(qiáng)化換熱管的換熱系數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re的變化圖。

圖8是圖1中的強(qiáng)化換熱管的阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)Re的變化圖。

圖9是圖1中的強(qiáng)化換熱管的強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC隨雷諾數(shù)Re的變化圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-渦桿，2-弧形桿，3-支撐桿，4-換熱管。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

請(qǐng)參閱圖1至圖3，本發(fā)明第一實(shí)施方式提供的強(qiáng)化換熱管，其包括適用于換熱管的插入式強(qiáng)化換熱組件及換熱管4，所述插入式強(qiáng)化換熱組件設(shè)置在所述換熱管4內(nèi)。本實(shí)施方式中，所述插入式強(qiáng)化換熱組件結(jié)合核心流強(qiáng)化以及邊界流強(qiáng)化的方式，以強(qiáng)化所述換熱管的換熱能力。

所述插入式強(qiáng)化換熱組件包括支撐桿3及多個(gè)間隔固定在所述支撐桿3上的強(qiáng)化換熱擾流單元。本實(shí)施方式中，所述支撐桿3的長(zhǎng)度方向與所述換熱管4的軸向平行；所述支撐桿3上有多個(gè)間隔設(shè)置的安裝節(jié)點(diǎn)，多個(gè)所述強(qiáng)化換熱擾流單元分別固定在多個(gè)所述安裝節(jié)點(diǎn)上。

所述強(qiáng)化換熱擾流單元包括渦桿1及連接于所述渦桿1的弧形桿2，所述渦桿1固定連接于所述支撐桿3的安裝節(jié)點(diǎn)，所述弧形桿2與所述渦桿1垂直連接。本實(shí)施方式中，所述渦桿1相對(duì)于所述支撐桿3傾斜設(shè)置；所述渦桿1包括固定端及與所述固定端相背的連接端，所述固定端固定連接于所述支撐桿3，所述連接端垂直連接于所述弧形桿2的中心，即所述弧形桿2相對(duì)于所述連接端對(duì)稱設(shè)置；所述弧形桿2的弧面與所述換熱管4的內(nèi)壁面平行設(shè)置。

所述強(qiáng)化換熱擾流單元與所述換熱管4的內(nèi)壁面之間的最小距離為H，其中0＜H≤0.05D，D為所述換熱管4的內(nèi)徑。所述渦桿1用于形成縱向渦以擾動(dòng)流體的核心流區(qū)域，進(jìn)而強(qiáng)化核心流區(qū)域的傳熱；所述弧形桿2用于擾動(dòng)流體的邊界層以進(jìn)行局部的強(qiáng)化傳熱。

本實(shí)施方式中，所述渦桿1及所述弧形桿2均由圓桿加工而成，所述渦桿1垂直于自身長(zhǎng)度方向的橫截面及所述弧形桿2垂直于自身長(zhǎng)度方向的橫截面均為圓形，可以理解，在其他實(shí)施方式中，可以為其他形狀，如三角形、橢圓形等；每個(gè)安裝節(jié)點(diǎn)安裝一個(gè)所述強(qiáng)化換熱擾流單元，可以理解，在其他實(shí)施方式中，每個(gè)安裝節(jié)點(diǎn)可以安裝其他數(shù)量的強(qiáng)化換熱擾流單元，如兩個(gè)、三個(gè)等，每個(gè)安裝節(jié)點(diǎn)安裝的多個(gè)所述強(qiáng)化換熱擾流單元對(duì)稱分布或者不對(duì)稱分布。

采用數(shù)值模擬研究所述強(qiáng)化換熱管的性能，計(jì)算模型參數(shù)如下：所述換熱管4是內(nèi)徑D為18mm的圓管，所述支撐桿3的直徑Dr為2mm，所述渦桿1及所述弧形桿均為直徑d為1mm的細(xì)桿；所述渦桿1與所述支撐桿3形成的夾角α為30°；所述弧形桿2的圓心位于所述支撐桿3的中心軸上，其半徑R＝8mm，所述弧形桿2對(duì)應(yīng)的圓心角θ優(yōu)選地為36°，所述強(qiáng)化換熱擾流單元與所述換熱管4的內(nèi)壁面之間的最小距離為H為0.5mm，即H＝0.028D；所述強(qiáng)化換熱擾流單元以29個(gè)/米(即節(jié)距P＝35mm)的密度排布，夾角β優(yōu)選地為120°，均勻分布在所述支撐桿3的外圍；本實(shí)施方式的數(shù)值模擬采用周期性邊界來計(jì)算，所述換熱管4的周期長(zhǎng)度取為105mm，根據(jù)節(jié)距計(jì)算可得一個(gè)周期長(zhǎng)度內(nèi)可以設(shè)置三個(gè)所述強(qiáng)化換熱擾流單元；設(shè)流體為水，且不可壓縮；模擬過程選擇雷諾數(shù)250、500、750、1000、1250、1500和1750七個(gè)，壁面溫度為340K，流體進(jìn)口溫度293K，所述插入式強(qiáng)化換熱組件的表面假設(shè)為絕熱。可以理解，在其他實(shí)施方式中，所述渦桿1與所述支撐桿3形成的夾角α可以為其他角度。

請(qǐng)參閱圖4，核心區(qū)域流體在所述渦桿1的引導(dǎo)下，流向所述換熱管4的壁面，所述渦桿1形成的縱向渦加強(qiáng)了中心區(qū)域與壁面區(qū)域的質(zhì)量和能量的交換過程。同時(shí)，在所述弧形桿2的引導(dǎo)下，到達(dá)壁面區(qū)域的流體會(huì)向兩邊擴(kuò)散，增大了邊界層的強(qiáng)化區(qū)域。

請(qǐng)參閱圖5，自所述弧形桿2的中心所在橫截面(通過所述弧形桿2的中心軸且垂直于所述換熱管4的軸向的橫截面)的溫度場(chǎng)圖可知，核心區(qū)域的溫度較低的流體的面積較大，特別是所述渦桿1所在區(qū)域的熱邊界層較薄，原因是所述渦桿1將核心區(qū)域的流體引導(dǎo)到所述換熱管4的壁面附近；所述弧形桿2對(duì)壁面處的擾動(dòng)效果明顯，邊界層厚度相對(duì)于其他區(qū)域明顯減小很多，溫度梯度較大，因而局部換熱明顯增強(qiáng)；在無所述弧形桿2的區(qū)域，受流動(dòng)前方所述強(qiáng)化換熱擾流單元的影響，由于縱向渦仍保持一定的強(qiáng)度，所以局部區(qū)域的邊界層也會(huì)相對(duì)較薄，局部區(qū)域換熱也得到增強(qiáng)，合適的節(jié)距能夠讓縱向渦在所述換熱管4內(nèi)不斷得到周期性地增強(qiáng)，使得所述換熱管4內(nèi)始終有縱向渦的擾動(dòng)。

請(qǐng)參閱圖6，在所述強(qiáng)化換熱擾流單元的作用下，所述流體在所述插入式強(qiáng)化換熱組件的兩側(cè)對(duì)稱形成縱向渦，所述縱向渦縱向發(fā)展的同時(shí)，自身產(chǎn)生漩渦，增加橫向擾動(dòng)。所述縱向渦能夠在流動(dòng)方向上加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，強(qiáng)化流體質(zhì)量和能量的交換過程；所述橫向擾動(dòng)雖然會(huì)使流動(dòng)阻力增加，但是也使壁面處和中心流區(qū)域的熱質(zhì)交換加強(qiáng)。

請(qǐng)參閱圖7至圖9，所述強(qiáng)化換熱管的換熱能力采用無量綱數(shù)努謝爾特?cái)?shù)Nu表示，Nu越大，表示換熱能力越好；阻力用阻力系數(shù)f評(píng)價(jià)，f越小表示所述強(qiáng)化換熱管的阻力代價(jià)越??；綜合性能指標(biāo)PEC則綜合考慮了換熱提高帶來的收益與阻力提高帶來的代價(jià)，Nu₀、f₀代表無插入所述插入式強(qiáng)化換熱組件時(shí)，所述換熱管的換熱能力、阻力。Re與管內(nèi)流體速度成正比，ρ，μ，U分別為工質(zhì)的密度、動(dòng)力粘度、速度。在雷諾數(shù)Re為250～1750的范圍內(nèi)，換熱能力Nu隨著雷諾數(shù)Re的增大而增大，相比于沒有所述插入式強(qiáng)化換熱組件的換熱管，本實(shí)施方式提供的強(qiáng)化換熱管的換熱能力提高了2.40～7.58倍，阻力提高了2.10～3.59倍，綜合性能指標(biāo)PEC能達(dá)到1.87～4.95(PEC大于1說明綜合換熱效果比光管的好)。

本發(fā)明第二實(shí)施方式提供的強(qiáng)化換熱管與本發(fā)明第一實(shí)施方式提供的強(qiáng)化換熱管的結(jié)構(gòu)基本相同，不同點(diǎn)在于，每個(gè)所述安裝節(jié)點(diǎn)連接三個(gè)所述強(qiáng)化換熱擾流單元，三個(gè)所述強(qiáng)化換熱擾流單元沿所述支撐桿3的外周均勻分布，所述強(qiáng)化換熱擾流單元的排布密度為每米87個(gè)。

采用本發(fā)明的適用于換熱管的插入式強(qiáng)化換熱組件及強(qiáng)化換熱管，所述強(qiáng)化換熱擾流單元包括連接于所述支撐桿的渦桿及連接于所述渦桿的弧形桿，所述渦桿與所述支撐桿傾斜設(shè)置，所述渦桿用于形成縱向渦，所述縱向渦縱向發(fā)展的同時(shí)，自身產(chǎn)生漩渦，增加橫向擾動(dòng)，所述縱向渦能夠在流動(dòng)方向上加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，強(qiáng)化流體質(zhì)量和能量的交換過程；所述橫向擾動(dòng)雖然會(huì)使流動(dòng)阻力增加，但是也使壁面處和中心流區(qū)域的熱質(zhì)交換加強(qiáng)；所述弧形桿在邊界層進(jìn)行局部的強(qiáng)化傳熱，極大的提高了換熱效率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。