置换式防垢强化传热的管内插入物制造技术

一种置换式防垢强化传热的梯形插入物，由一条以上梯形片带组成，梯形片带之间的交叉角为６０～９０°，一条梯形片带由数个梯形单元连接而成，一个梯形单元由两条斜边之间连接一平行边构成，设管内径为ｄ，则梯形片带宽为ｄ／２－ｄ／１０，梯形单元的平行边长为ｄ／１０－３ｄ，梯形单元两条斜边端点之间的距离为３ｄ－７ｄ。这种结构的管内插入物适用面广、结构简单、易于加工成型，具有优良的防垢、强化流体传热效果特别是强化高粘性流体传热效果。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热交换领域，更具体地说是涉及一种防垢、强化传热的元件。在动力工业燃油锅炉和重油(渣油)制管道煤气行业中，燃油粘度普遍较高，油品从喷嘴喷射燃烧前要加热减粘，但由于燃油预热器传热性能差，往往难以达到设计要求。此外高粘性流体传热还广泛出现在聚合物生产及加工、食品、化工等工业生产过程中。由于采用一般的光管换热器其传热性能达不到工艺要求，往往需要采取强化传热措施。管内插入物则是用于提高传热性能的技术手段之一，目前主要有扭带状插入物、螺旋线形插入物、Kenics静态混合器和交叉锯齿形扰流子。扭带状插入物是一种典型的旋流器，它可以使流体流动路径增加，在加热情况下形成巨大的离心力增强了对流，并具有一定的翅片效应，使传热膜系数得到提高。但在冷却情况下，离心力则是不利因素，而且在很粘流体的低雷诺数Re下，难于产生二次循环流，因而不适宜高粘性流体的冷却。螺旋线形插入物也是旋流器中的一种，它主要通过形成离心力和促进湍流，达到强化传热的目的，但仅适合于较低的普朗特数Pr、低粘度和较高雷诺数Re的情况。Kenics静态混合器对高粘性流体的强化传热效果尚好，它主要通过对流进行切割转换来产生强化传热作用，但其阻力增加的倍数太大，达七～十倍，其中部分阻力损失被切割流体混合所消耗，而且仅适宜传质，不利于传热。交叉锯齿形扰流子插入物是中国技术专利CN86203375.6公开的一种管内插入物，属于扰动型的插入物，其原理是对流体产生二次流，达到扰动流体强化传热的效果。这种插入物局限在Pr＝135，300＜Re＜3000范围内应用，对于特另低的Re数和特别高的Pr数情况，则难以产生二次流。综上所述，现有的强化传热管内插入物多数是以切割边界层和旋流型为主，难于适应高粘和超高粘性流体的强化传热，特别是流动阻力、传热性能和加工制造方面的综合经济价值不大，从而影响到其工业应用。本专利技术的目的正是根据工业生产过程中，主要是高粘性流体在低Re数的传热特性，设计一种适用面广、参数配置好、结构简单、易于加工成型的置换型、防垢、强化流体传热效果特别是强化高粘性流体传热效果的管内插入物，用于换热器的管内强化传热和防垢。本专利技术的管内插入物是梯形插入物，由一条以上梯形片带组成，梯形片带之间的交叉角为60～90°，一条梯形片带由数个梯形单元连接而成，一个梯形单元由两条斜边之间连接一平行边构成。设管内径为d，则梯形片带宽为d/2-d/10，梯形单元的平行边长为d/10-3d，梯形单元两条斜边端点之间的距离为3d-7d时，流体的防垢传热效果更佳。附图说明图1是构成本专利技术管内插入物的一条梯形片带的结构示意图，如图所示，梯形插入物在换热器管内主要是通过梯形斜面置换物料和梯形平行边对管边界进行扰动达到防垢和强化传热效果的，其工作过程是在换热管1内，借助梯形斜边2将管内物料从管壁边缘向中部置换，又将中部物料置换到管壁；梯形平行边3则将返壁面的物料充分扰动以使物料和壁面产生热交换，同时因弹性作用对壁面有一定的摩擦防垢作用；另一梯形斜边4将换热好的物料置向中部，又将中部物料移向另一边；通过连续的梯形单元和一条以上的梯形插入物的配合，对所需换热的物料，进行连续充分的置换和壁面的扰动更新换热，从而使物料与壁面的传热膜系数大大增强。已有的研究和专利技术人的实验均表明，高粘性流体在光滑管内传热的同一截面上，流速相差很大，中心部位流速大，停留时间短；壁面附近流速小，停留时间长。近壁面附近流体过热，中心部位温度过低，这种流场对于某些热敏性物料(如聚合物)是不利的。而本专利技术的梯形插入物能对传热壁面进行充分扰动、置换更新，对中心部位过大流速进行置换转向，将边壁上流体移置到中部，减少管内流体本身温差，使之均匀。同时由于梯形平行边的作用也减少了物料停滞在传热壁面的机会，防止流体过热结焦或污垢生成。斜面的置换和边界的扰流，可以使管内传热膜系数增加至光管的二至六倍，而传热阻力仅略微增加一至七倍。本专利技术梯形插入物的工作过程也可叙述如下高粘性流体在管内流动时，光管横截面上存在一个梯度较大的温度场和速度场，其中速度最大值在管子中部，管边部流速趋于零。采用置换型的梯形插入物是用片带斜面来减少流体的速度梯度，尽量使流体在同一截面的流速相同，即中部流速减缓，使管壁位置流速增加，减少管壁位置滞流，同时梯形单元平行边部分是为了增加壁面的扰流，从而达到强化传热和防止局部物流因滞流过热而结焦、结垢的效果。也可以说，梯型插入物在管截面占据着一个较大的面积，使管内局部流速增加，流体在管空间内，流道不断随梯形斜面位置的变化而变化，故相应的速度场和温度场也发生变化，从整体上来说，速度场和温度场的梯度在梯形插入物元件的作用下减小，即管中心和管壁面流速和温度趋于一致。梯形插入物在产生上述效果的同时，主要是由斜面产生置换后，再通过梯形平行边局部扰流过渡再导向另一面的，因此其置换是不连续的。扰动也具有不连续性，保留了一定的时间给壁面热传导和流体间的热传递。故其阻力(或说消耗的能量功率)要比一般的扰流子要少1/3-1/5，而效果则一致。对于切割型的Kenics静态混合器，梯形插入物没有切割流体的损耗，也没有产生旋流的损耗，因而在节能(节省泵功耗)方面更优越于扭带状插入物、静态混合器和交叉锯齿形扰流子。构成本专利技术梯形插入物的梯形单元平行边除了可以是直线形外，还可以呈锯齿形或波浪形，这种形式的平行边可进一步促进表面更新和成薄边界层来达到强化传热的目的。本专利技术与现有技术相比，具有如下区别和优点(1)本专利技术的梯形插入物和交叉锯齿形扰流子虽然都是采用片条制作，但由于扰流子主要是以片条对流体的扰动产生二次流来强化传热，故限制了锯齿形扰流子的应用范围。当流体特别是高聚物流体粘度非常大，流速特别小时，锯齿形扰流子则无法产生二次流。当片条若维持原有设计参数则难以产生强化传热的效果，或者说效果不明显，当片条加宽时，又因锯齿带交叉相互作用且连续产生作用，使流体没有缓冲余地而难于实施。本专利技术梯形插入物则克服了扰流子的缺点，既可以用于粘度和超高粘度的聚合物传热工艺，也可以应用在很低流速的低Re数范围。(2)本专利技术梯形插入物是借助梯形斜边产生不连续的置换，通过梯形平行边产生局部扰流，通过两者交替作用达到强化传热和防垢目的，使之具有适用面广、防垢和强化传热效果好、阻力小的优点。也可以说梯形插入物是综合了置换形插入物和局部扰流子两者的优势，并通过科学实验参数的配置，优化组合而专利技术的新一代管内插入物。(3)置换型防垢、强化传热梯形插入物的传热与阻力特性较以往元件为优，已成功实施于(重油、渣油)预热换热器和树脂(高分子材料)加热工艺，在Pr＝100-1200，0.01＜Re＜3000范围内，梯形插入物元件与扭率为2.5的扭带相比，可节省传热面积(投资)30％，或节省泵功耗(节能)62％，与一般的静态混合器相比，如kenics型，则在相同的面积和阻力下，减少传热温差，提高热负荷达80％。和光管相比，效果则更加明显，可以完成一般光管无法完成的工艺加热。(4)本专利技术制造工艺简炼，可在小型冲床上连续生产，加工好的梯形片带通过电阻焊固定为两条或多条。(5)本专利技术经济效益显著，在现有换热设备，如重油预热器的技术改造时，采用本专利技术的梯形插入物直接安装于列管式换热器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种置换式防垢强化传热的梯形插入物，其特征在于由一条以上梯形片带组成，梯形片带之间的交叉角为６０～９０°，一条梯形片带由数个梯形单元连接而成，一个梯形单元由两条斜边之间连接一平行边构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱冬生，谭盈科，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]