本發(fā)明涉及一種新型同軸交叉紐帶及應(yīng)用該紐帶的強化換熱管，屬于強化換熱技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

換熱設(shè)備是熱量傳遞的基礎(chǔ)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于動力，核能等行業(yè)，換熱管是換熱設(shè)備中重要組成部分。提高換熱管的傳熱效率能有效提高換熱設(shè)備的效率，減小換熱設(shè)備的體積，增大其經(jīng)濟性，并節(jié)約能源，具有重要意義。運用強化換熱技術(shù)提高換熱管效率一直是一項重要的課題。

管內(nèi)插入擾流元件是一種應(yīng)用廣泛、方便快捷的管內(nèi)強化換熱技術(shù)，具有可以進行更換、方便拆裝、兼顧除垢等優(yōu)點。紐帶是產(chǎn)生管內(nèi)二次流結(jié)構(gòu)最簡單的裝置，具有獨特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，一直是人們關(guān)注的重點。在傳統(tǒng)紐帶的基礎(chǔ)上，人們?yōu)榱嗽鰪姀娀瘋鳠嵝Ч?，探索出各種異型紐帶，如鋸齒紐帶等。異型紐帶雖然增強了強化換熱效果，但是管內(nèi)流體流動阻力相應(yīng)增大。而且，異型紐帶多是用于強化低粘性流體，對高粘性流體的強化效果還有待進一步提高，綜合性能有待提升。

公開號為CN 104792219A的專利文件中，公開的“一種三邊螺旋紐帶”的主要特征在于采用焊接的方式將三個相同紐帶的長邊焊接一起，并互成120°的夾角，用于傳熱管強化管內(nèi)流體傳熱及防垢。2014年6月出版的《Experimental Thermal and Fluid Science》第57卷中報道的《Laminar flow and heat transfer through a circular tube having integral transverse corrugations and fitted with centre-cleared twisted-tape》等文獻中，對強化換熱元件都有相關(guān)論述。這些文獻及發(fā)明專利中提出的各種強化換熱元件，雖然可以使管內(nèi)流體的換熱得到顯著的強化效果，但是管內(nèi)流體的流動阻力也大大增加，綜合性能較低；而且，它們或是傳統(tǒng)的紐帶，或是在傳統(tǒng)紐帶上加工焊接而成，焊接時引入了熱阻，降低了強化效果。所以如果能開發(fā)出新的強化換熱管，即采用新型的管內(nèi)插入物和先進的加工方式，將會有效強化換熱系數(shù)，提高換熱管的綜合強化性能，亦能更好地達到節(jié)能減排的目標。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種新型同軸交叉紐帶及應(yīng)用該紐帶的強化換熱管，能高效強化換熱管內(nèi)流體換熱并防止結(jié)垢。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：是由2-4個同寬度、同厚度、同扭率的紐帶以每個紐帶中間位置的對稱軸為扭轉(zhuǎn)軸、成等角度交叉連接而成，扭率的范圍是1.0-6.0。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.在外管內(nèi)設(shè)置一個所述的新型同軸交叉紐帶，所述外管的兩端設(shè)置有起固定新型同軸交叉紐帶作用的彈圈。

2.在外管內(nèi)設(shè)置至少兩個所述的新型同軸交叉紐帶，相鄰兩個新型同軸交叉紐帶之間通過連接裝置連接，連接裝置是彈簧或圓柱棒，所述外管的兩端設(shè)置有起固定對應(yīng)的新型同軸交叉紐帶作用的彈圈。

3.相鄰兩個新型同軸交叉紐帶之間的距離是1.0～4.0倍的節(jié)距，每個紐帶的厚度不大于0.1倍的外管直徑。

4.所述新型同軸交叉紐帶是邊緣帶有鋸齒或者表面帶有渦發(fā)生器的異形紐帶。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的同軸交叉多紐帶是運用3D打印技術(shù)，得到的復(fù)雜的強化換熱元件，具有易安裝、安裝方式多樣、強化傳熱效果好、防結(jié)垢等優(yōu)點。新型同軸交叉多紐帶的強化換熱管具有綜合強化性能好、實用性強的特點。

附圖說明

圖1是新型同軸交叉三紐帶的三維效果圖。

圖2是新型同軸交叉三紐帶的強化換熱管三維效果圖。圖中：1—固定裝置，2—新型同軸交叉紐帶，3—外管，4—連接裝置。

圖3是內(nèi)插新型同軸交叉二紐帶的強化換熱管內(nèi)流體的阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)Re的變化圖。

圖4是內(nèi)插新型同軸交叉二紐帶的強化換熱管內(nèi)流體的努塞爾數(shù)Nu隨雷諾數(shù)Re的變化圖。

圖5是內(nèi)插新型同軸交叉二紐帶的強化換熱管內(nèi)流體的綜合性能評價指標PEC隨雷諾數(shù)Re的變化圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

實施例一：結(jié)合圖1，本發(fā)明的所述同軸交叉多紐帶采用新型3D打印技術(shù)加工而成，是由同寬度、同厚度、同扭率的多個紐帶共用同一扭轉(zhuǎn)軸，成等角度交叉得到，其厚度為0.0～0.1倍的外管直徑，其扭率范圍為1.0～6.0，紐帶個數(shù)范圍為2～4，所述同軸交叉紐帶的各個紐帶間相交的夾角相等。可根據(jù)不同的流體、流量等具體工況確定紐帶個數(shù)、紐帶厚度及扭率的大小。圖1所示為3個紐帶構(gòu)成的新型同軸交叉三紐帶，紐帶之間的夾角相等且都為60°。

新型同軸交叉多紐帶的厚度為0.0～0.1倍的外管直徑。如外管徑為13mm時，新型同軸交叉多紐帶的厚度為0mm～1.3mm，實際情況中厚度大于0，所以厚度為0.1mm～1.3mm，其具體值視實際工況和加工情況而定。

新型同軸交叉多紐帶由紐帶螺旋扭曲而成，其扭率y與節(jié)距H之間的關(guān)系為：y＝H/D，D為外管直徑。改變H可以得到不同扭率下的新型同軸交叉多紐帶，其扭率范圍為1.0～6.0，選取的大小視實際情況而定。但是，值得指出的是：扭率越小，強化換熱效果越好，但是流體的流動阻力增加越大。

實施例二：結(jié)合圖2，本發(fā)明的新型強化換熱管由四部分組成：外管3；同軸交叉多紐帶2；固定裝置1；連接裝置4。所述外管的直徑略大于同軸交叉多紐帶的寬度，這樣既方便安裝，又可使新型同軸交叉多紐帶達到最大的強化傳熱效果。所述同軸交叉多紐帶內(nèi)插外管中，由固定裝置進行固定。所述固定裝置為卡在外管兩端口處的彈圈，依靠兩端的彈圈對紐帶起到固定作用。所述同軸交叉多紐帶的長度可與外管同長或略短于外管，并直接由兩端的固定裝置固定。

本發(fā)明在外管內(nèi)插入新型同軸交叉多紐帶，而所述的強化換熱管內(nèi)的同軸交叉多紐帶的數(shù)量可以是一個，其長度與外管等長或者稍短于外管；也可以是的好幾段紐帶，間斷的同軸交叉紐帶又有兩種放置方式，多段同軸交叉紐帶在沿流體流動的方向上，一種是相鄰?fù)S交叉紐帶間距1.0～4.0倍的節(jié)距，直接以連接裝置(如彈簧、圓柱棒等)來連接；另一種是相鄰的同軸交叉紐帶間，后一段同軸交叉紐帶與前一段之間有一定的交錯角度，再用連接裝置(如彈簧、圓柱棒等)來連接。

本發(fā)明的所述同軸交叉紐帶可以是由常規(guī)紐帶組合而成，也可以是由邊緣帶有鋸齒或者表面帶有渦發(fā)生器的異形紐帶(把新型同軸交叉多紐帶的邊緣加工成鋸齒狀，或者在表面增加渦發(fā)生器的結(jié)構(gòu))組合成的異型同軸交叉紐帶，這樣可以增強傳熱效果。

所述的同軸交叉多紐帶的材質(zhì)可依據(jù)具體工況而定，對于有重量限制的條件，可選用密度較輕的材料(如塑料等)加工而成；對于具有腐蝕的條件，可選用相應(yīng)的抗腐蝕材料(如不銹鋼等)加工而成。

下面結(jié)合具體數(shù)據(jù)對本發(fā)明進行描述：換熱管全長L＝1000mm，管徑D＝13mm，新型同軸交叉多紐帶選擇的是由兩條紐帶組成的新型同軸交叉二紐帶，全長為1000mm，邊長為12mm，厚度為1mm，節(jié)距是52mm，扭率是4。換熱管內(nèi)的流動工質(zhì)是68#潤滑油。在層流的工況下，采用數(shù)值模擬商業(yè)軟件STAR-CCM+10.06對新型強化換熱管內(nèi)的流體傳熱及流阻進行了模擬與計算，并與空管和內(nèi)插普通紐帶的換熱管進行了對比與分析，對比結(jié)果如附圖3、4、5所示。

圖3所示為f隨Re的變化規(guī)律。相同條件下，內(nèi)插普通紐帶的換熱管和新型換熱管內(nèi)流體的阻力系數(shù)均遠高于空管，同時，新型換熱管內(nèi)流體的阻力系數(shù)略高于內(nèi)插普通紐帶的換熱管。依據(jù)計算結(jié)果，可以知道，新型換熱管內(nèi)流體的阻力系數(shù)分別比空管和內(nèi)插普通紐帶的阻力系數(shù)高出816％～1281％和115％～132％。

圖4所示為Nu隨Re的變化規(guī)律。相同條件下，內(nèi)插普通紐帶的換熱管和新型換熱管內(nèi)流體的傳熱系數(shù)均遠高于空管，同時，新型換熱管內(nèi)流體的傳熱系數(shù)高于內(nèi)插普通紐帶的換熱管，傳熱性能最優(yōu)。依據(jù)計算結(jié)果，可以知道，新型換熱管內(nèi)流體的傳熱系數(shù)比空管高出167％～332％，比內(nèi)插普通紐帶傳熱管的傳熱系數(shù)高出44％～58％。

圖5所示為綜合性能評價指標PEC隨Re的變化規(guī)律。由圖中可以看出，相比于內(nèi)插普通紐帶的傳熱管，新型換熱管的PEC值更高，綜合性能更好。新型換熱管的PEC值可達1.83，是內(nèi)插普通紐帶的換熱管的PEC值的1.11～1.20倍。

綜上，本發(fā)明強化換熱效果好、安裝方便、綜合換熱性能高，并且具有很強的實用性。