專利名稱：一種利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳熱管，進一步涉及一種通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的傳熱管。
背景技術(shù)：
管殼式換熱器是目前應(yīng)用最為廣泛、使用量最大的換熱器，約占換熱器總量的 70%。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于能源動力、石油化工等行業(yè)。換熱器的性能對產(chǎn)品的質(zhì)量、能量利用、系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性等方面有著重要的作用，因此提高換熱器性能顯得尤為重要。管殼式換熱器的換熱阻力往往來自于殼側(cè)，因此對殼側(cè)強化傳熱便成為改善換熱器性能的主要方式之一。
目前，管殼式換熱器強化傳熱方法有采用改變傳熱元件本身的表面形狀及其表面處理方法，以獲得粗糙表面和擴展表面；用添加內(nèi)插物的方法增強流體本身的擾流。這些方法在提高換熱器的換熱能力的同時也在一定程度上增加了換熱器的流動阻力，增加了燃耗。
近年來，國際上出現(xiàn)了一種通過減小傳熱管間隙以提高傳熱能力的方法。傳熱管間距降低后，殼側(cè)主流區(qū)與間隙區(qū)的速度差增大，換熱器殼側(cè)流體的橫向交混和擾動也隨之增加，導(dǎo)致傳熱能力有一定程度的提升。傳熱管間隙越小，殼側(cè)的對流換熱能力提升幅度越大。這種換熱器的換熱能力在很大程度上取決于傳熱管的間隙。但是，傳熱管的間隙不可能小于機械加工的極限。因而這種方法的強化傳熱能力具有一定的范圍。而且管間隙越小，機械加工精度越低，誤差越大，這也會在一定程度上影響換熱設(shè)備的性能。
板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種高效換熱器。 換熱器的各板片之間形成許多小流通斷面的流道，通過板片壁面與流體進行熱量交換，它與常規(guī)的管殼式換熱器相比，在流速比較低的條件下，其傳熱系數(shù)要高于管殼式換熱器。目前，板式換熱器的應(yīng)用已非常普遍。
傳統(tǒng)的管殼式換熱器強化傳熱方法如改變傳熱元件表面形狀和增強擾流等在增強換熱的同時也增加了流動阻力和燃耗，而且增大了傳熱管尺寸和換熱器容積，這些因素的存在都在一定程度上阻礙了傳統(tǒng)強化傳熱方法的推廣和應(yīng)用。
近年來新出現(xiàn)的通過減小傳熱管間隙以提高傳熱能力的方法也有一個顯著的缺點，為了盡可能地提高傳熱能力，傳熱管間隙需要盡可能的減小，但是傳熱管間隙不能夠太小。如果傳熱管間隙非常小會出現(xiàn)兩個后果，①傳熱管間隙太小的話，工業(yè)加工難以實現(xiàn)， 通常情況下，工業(yè)上難以制造出管間隙小于Imm的傳熱管束。②當(dāng)傳熱管間隙比較小時，流致振動效應(yīng)比較明顯，傳熱管會受到殼側(cè)流體的強烈沖擊，進而引發(fā)傳熱管的力學(xué)不穩(wěn)定性，使傳熱管發(fā)生變形、錯位和偏移，甚至使傳熱管發(fā)生損壞。
限制板式換熱器使用和推廣的兩個重要因素是流動阻力大、工作壓力低。在高溫高壓工況下，由于受到密封墊片耐熱、耐壓性能的影響及板片間流道面積及流道通量的限制，如果流速比較高，阻力會急劇增大，使壓力下降很大。因而板式換熱器的工作壓力通常在2MPa以下，其運行工況下的流速也不高。發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明的目的在于
1.增強換熱器殼側(cè)的傳熱能力；
2.合理控制傳熱管間距，方便機械加工；
3.減小換熱器體積；
4.避免流致振動現(xiàn)象，減小傳熱管受到的水力沖擊；
5.增加板式換熱器的傳熱能力并降低板式換熱器在高流速下的流動阻力。
本發(fā)明提供了一種通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，包括換熱側(cè)壁和傳熱側(cè)壁，通過改變換熱側(cè)壁面形狀增大垂直于流動方向上的主流速度差，進而產(chǎn)生強烈的橫向流體交混，最終增強換熱器傳熱能力。其中，所述換熱側(cè)壁面在垂直于流體流動的方向上為光滑壁面與粗糙壁面交替的側(cè)壁，所述傳熱側(cè)壁為光滑壁面。
優(yōu)選的，所述粗糙壁面通過在壁面鋪設(shè)顆粒、刻槽和紋路以及調(diào)整走刀量形成。
優(yōu)選的，所述粗糙壁面通過粗車、鏜、刨、鉆方法形成。
優(yōu)選的，所述換熱器由換熱管構(gòu)成。
優(yōu)選的，所述換熱器由熱板構(gòu)成。
優(yōu)選的，所述粗糙壁面面積占殼側(cè)整個管壁面面積的比例的50%。
優(yōu)選的，所述換熱通道壁上的粗糙壁面與光滑壁面在垂直于流體流動方向上間隔排列。
本發(fā)明提供了另一種通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，包括換熱側(cè)壁和傳熱側(cè)壁，其中，所述換熱側(cè)壁面在垂直于流體流動的方向上為較厚壁面與較薄壁面交替的側(cè)壁，所述傳熱側(cè)壁為光滑壁面。
上述兩種類型的換熱器，是增強流動橫截面上的主流速度差異，進而增強橫向的流體交混，可以通過壁面的粗糙程度變化和壁面的厚度變化來實現(xiàn)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
1.使傳熱管殼側(cè)的對流換熱能力有大幅提高；
2.管間距比較合理，不會引發(fā)流致振動和管束的力學(xué)不穩(wěn)定；
3.不需要額外的增加管束的空間和容積，換熱器體積比較小；
4.能夠產(chǎn)生非常強烈的橫向流體交混，使換熱器中的污垢較輕；
5.能夠廣泛地應(yīng)用于各種形式的由管束組成的換熱設(shè)備中；
6.能夠進一步增強板式換熱器的換熱能力并合理的控制流動阻力；
7.結(jié)構(gòu)簡單，易于機械加工，便于推廣。


下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
圖1是壁面的三維視圖。
圖2是由換熱管構(gòu)成的正方形棒束的壁面。
圖3是由換熱管構(gòu)成的三角形棒束的壁面。
圖4是由換熱板構(gòu)成的矩形通道的壁面。
圖5是由非均勻壁厚的換熱管構(gòu)成的正方形棒束的壁面。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
本發(fā)明是通過改變壁面形狀以增大垂直于流動方向上的主流速度差，進而產(chǎn)生強烈的橫向流體交混，最終達到增強換熱器傳熱能力的目的。其中，改變壁面粗糙度是改變壁面形狀的最典型的方式。設(shè)置粗糙壁面可以采用多種方法，例如鋪設(shè)顆粒、在壁面上刻槽和紋路等。在圓周方向，殼側(cè)傳熱管壁面是以光滑壁面11-粗糙壁面12-光滑壁面11這種交叉組合方式布置的；在流動方向，殼側(cè)的光滑壁面12與粗糙壁面11是相互平行的，且貫穿整個傳熱管軸向長度，如圖1。在某些特殊條件下，比如傳熱管非常長，傳熱管中段需要添加一些定位格架以對傳熱管進行定位、固定，在這種條件下，固定裝置所在區(qū)域的管壁面可以全部加工成光滑壁面11以便于管束定位裝置的安置。在本發(fā)明中，不對傳熱管管側(cè)壁面進行修改，管側(cè)依然為光滑壁面。
理論上，粗糙壁面面積占殼側(cè)整個管壁面面積的比例(等于橫截面上粗糙壁面所占弧長與圓周長之比)可以在比較寬的范圍內(nèi)變化，從0%-100%，但是粗糙壁面面積最好為整個管壁面面積的50% (粗糙壁面和光滑壁面各占管壁面的50% )，此時殼側(cè)的換熱能力有顯著的增強且由此導(dǎo)致的流動阻力增加幅度也不明顯。
殼側(cè)傳熱管壁分為光滑壁面和粗糙壁面兩種，參見圖2和3，由傳熱管束(21，31) 組成的傳熱通道可以分成間隙區(qū)(22，32)和主流區(qū)(23，33)兩種。而間隙區(qū)02，32)中的流體流速要低于主流區(qū)03，33)中的流體流速。將間隙區(qū)02，32)的傳熱管束壁面設(shè)置成粗糙壁面04，34)，同時將主流區(qū)03，33)的傳熱管束壁面設(shè)置成光滑壁面(25，35)后， 能夠降低間隙區(qū)02，32)的流體流速同時增大主流區(qū)03，33)的流體流速，因而使主流區(qū) (23，33)與間隙區(qū)(22，32)的速度差進一步增大，進而有效地增強主流區(qū)(23，33)與間隙區(qū) (22,32)中的動量和能量交混并增強流體的擾動，從而增強傳熱管束間的對流換熱能力。
實施例1
傳熱管呈圖3所示的三角形排列，管直徑為10mm，管中心距為12mm，管束長0. 5m， 管束間流動工質(zhì)為常溫常壓下的水，壁面熱流密度為lMW/m2，入口平均流速為5m/s，間隙區(qū)與主流區(qū)的壁面都為光滑壁面，此時管束間的平均努謝爾數(shù)為170. 0。
實施例2
傳熱管呈圖3所示的三角形排列，管直徑為10mm，管中心距為12mm，管束長0. 5m， 管束間流動工質(zhì)為常溫常壓下的水，壁面熱流密度為lMW/m2，入口平均流速為5m/s，間隙區(qū)的壁面粗糙度為0. 05mm，而主流區(qū)的壁面為光滑壁面，此時管束間的平均努謝爾數(shù)為 216. 6，比實例1的傳熱能力增強了 27. 4%。
實施例3
傳熱管呈圖3所示的三角形排列，管直徑為10mm，管中心距為12mm，管束長0. 5m， 管束間流動工質(zhì)為常溫常壓下的水，壁面熱流密度為lMW/m2，入口平均流速為5m/s，間隙區(qū)的壁面粗糙度為0. 1mm，而主流區(qū)的壁面為光滑壁面，此時管束間的平均努謝爾數(shù)為 317. 3，比實例1的傳熱能力增強了 86. 6%0
實施例4
傳熱管呈圖3所示的三角形排列，管直徑為10mm，管中心距為12mm，管束長0. 5m， 管束間流動工質(zhì)為常溫常壓下的水，壁面熱流密度為lMW/m2，入口平均流速為5m/s，間隙區(qū)的壁面粗糙度為0. 15mm，而主流區(qū)的壁面為光滑壁面，此時管束間的平均努謝爾數(shù)為 383. 2，比實例1的傳熱能力增強了 125. 4% 0
實施例5
本發(fā)明主要是針對由傳熱管束組成的換熱器，如管殼式換熱器，但是也可以應(yīng)用到板式換熱器中。板式換熱器的換熱通道為矩形，如圖4，在長度方向上，將通道兩側(cè)壁面加工成光滑壁面41-粗糙壁面42-光滑壁面41這種交叉組合壁面，在高度方向(平行流動方向)上，光滑壁面41與粗糙壁面42貫穿整個換熱通道流動方向，進而將流道分隔成高流速區(qū)43-低流速區(qū)44-高流速區(qū)43這種交叉出現(xiàn)的形式。其中，光滑壁面41與高流速區(qū)43 相對應(yīng)(高流速區(qū)43兩側(cè)的傳熱壁面均為光滑壁面41)粗糙壁面42與低流速區(qū)44相對應(yīng)。由于垂直于流動方向出現(xiàn)了比較大的速度差，因而也會出現(xiàn)類似于殼側(cè)的橫向流體交混，達到強化傳熱的目的。當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于板式換熱器時，任一段光滑壁面41或粗糙壁面 42的長度不應(yīng)該小于3cm，一段光滑壁面41或粗糙壁面42的最佳長度在15cm左右；而兩塊平行換熱板組成的矩形通道的寬度不應(yīng)該大于3cm。否則，通道空間太小會極大地限制橫向的流體交混，進而難以達到增強換熱的效果。
實施例6
對于由傳熱管束51組成的換熱器，可以通過改變殼側(cè)壁面厚度達到相同的強化換熱效果。如圖5，在圓周方向，殼側(cè)傳熱管壁面是以較厚壁面52-較薄壁面53-較厚壁面 52這種交叉組合方式布置的；較厚壁面52和較薄壁面53的壁面粗糙度相同；在流動方向， 殼側(cè)的較厚壁面52與較薄壁面53是相互平行的，且貫穿整個傳熱管軸向長度。傳熱側(cè)壁為均勻光滑壁面。由傳熱管束51組成的傳熱通道可以分成間隙區(qū)M和主流區(qū)55兩種。間隙區(qū)M中的流體流速要低于主流區(qū)55中的流體流速。將間隙區(qū)M的傳熱管束壁面設(shè)置成較厚壁面52，同時將主流區(qū)55的傳熱管束壁面設(shè)置成較薄壁面53后，間隙區(qū)M與主流區(qū)55的流體流速差會進一步增大，進而有效地增強主流區(qū)55與間隙區(qū)M中的動量和能量交混并增強流體的擾動，從而增強傳熱管束間的對流換熱能力。這種改變壁面厚度增強殼側(cè)對流換熱能力的方法與通過改變壁面粗糙度增強殼側(cè)對流換熱能力的方法的基本原理是相同的，都是通過增大橫截面上的流體速度差，進而增強橫向交混最終達到增強對流換熱能力的目的。
本發(fā)明可以方便地應(yīng)用于各種由傳熱管束組成的換熱設(shè)備中，并顯著地增強殼側(cè)管束間的對流換熱能力。
這種通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的技術(shù)不論是應(yīng)用于管殼式換熱器還是應(yīng)用于板式換熱器，其核心部分都是通過改變壁面形狀(如壁面粗糙度)在垂直流動方向上形成較大的主流速度差，進而產(chǎn)生強烈的橫向流體交混，最終達到增強換熱器傳熱能力的目的。由于核心方法相同，因而屬于同一總體布局，應(yīng)該合并申請同一項發(fā)明專利。
本發(fā)明主要針對傳熱器所進行的改進，以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例而已，非因此即局限本發(fā)明的專利范圍，故舉凡用本發(fā)明說明書及圖式內(nèi)容所為的簡易變化及等效變換，均應(yīng)包含于本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，包括換熱側(cè)壁和傳熱側(cè)壁，其特征在于所述換熱側(cè)壁面在垂直于流體流動的方向上為光滑壁面與粗糙壁面交替的側(cè)壁，所述傳熱側(cè)壁為光滑壁面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述通過改變壁面形狀增強對流換熱能力的換熱器，其特征在于 所述粗糙壁面通過在壁面鋪設(shè)顆粒、刻槽和紋路以及調(diào)整走刀量形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2任一所述通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，其特征在于所述粗糙壁面通過粗車、鏜、刨、鉆方法形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，其特征在于所述換熱器由換熱管構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，其特征在于所述換熱器由熱板構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，其特征在于所述粗糙壁面面積占殼側(cè)整個管壁面面積的比例的50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，其特征在于所述換熱通道壁上的粗糙壁面與光滑壁面在垂直于流體流動方向上間隔排列。
8.—種通過改變壁面形狀、利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，包括換熱側(cè)壁和傳熱側(cè)壁，其特征在于所述換熱側(cè)壁面在垂直于流體流動的方向上為較厚壁面與較薄壁面交替的側(cè)壁，所述傳熱側(cè)壁為光滑壁面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用橫向流體交混作用增強對流換熱能力的換熱器，包括換熱側(cè)壁和傳熱側(cè)壁，通過改變換熱側(cè)壁面形狀在垂直于流動的方向上形成較大的流體速度差，產(chǎn)生強烈的橫向流體交混，增強對流換熱能力，其特征在于所述換熱側(cè)壁面在垂直于流體流動的方向上為光滑壁面與粗糙壁面交替的側(cè)壁，所述傳熱側(cè)壁為光滑壁面。通過該換熱器增強換熱器殼側(cè)的傳熱能力；合理控制傳熱管間距，方便機械加工；減小換熱器體積；避免流致振動現(xiàn)象，減小傳熱管受到的水力沖擊以及增加板式換熱器的傳熱能力并降低板式換熱器在高流速下的流動阻力。
文檔編號F28F13/06GK102519297SQ20111045567
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者于雷, 鄢炳火 申請人:于雷, 鄢炳火