双螺旋弹簧传热强化管制造技术

本实用新型专利技术涉及一种双螺旋弹簧传热强化管，由金属管和双螺旋弹簧组成，双螺旋弹簧插入金属管内，双螺旋弹簧是由金属丝缠绕成小弹簧，再由小弹簧沿着弹簧螺旋线再次缠绕成小弹簧而制成。本发明专利技术可用于层流和湍流、管内和管外、小直径和大直径、圆形和非圆形截面管的传热强化，加工方法简单，不需昂贵的专用设备，可容易使产品系列化生产。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种双螺旋弹簧传热强化管，属于传热强化技术和换热器领域大量的传热装置和高效换热器被用于动力、石油、化工、冶金、航空航天等领域。其中传热强化装置的效率对降低能耗和设备投资起着重要作用，因此是工程界极为重视的研究领域，并已有几十甚至上百种的传热强化装置的专利技术。但是这些强化装置的普遍特点是破坏了原有速度场特性，因而传热强化的同时流动阻力和功耗显著增加；另外，强化装置的复杂加工方法和昂贵加工费用制约着其在工程中的广泛应用。在1988年烃加工出版社出版的“换热器”中册，第34-38页记载的内翅片强化管(图1a)，其特点是管子内壁加工有翅片，翅片与管子是一整体或两分体，两种材料可以相同也可不同。内翅管的强化机理是增加传热面积。但由于内翅片的尺寸较大，流体速度场遭破坏严重，运行时阻力大。另外，复杂的内翅片形状大幅度增加了加工难度和费用。绕花丝强化元件(专利号93217669.0)是用几根金属丝作轴线，而把另外几根金属丝按一定规则绕制成圆柱型丝状结构(图1b)。其强化机理是使管内流体在低速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动，以起到增强换热作用。但正是由于绕花丝产生的三维复杂流动，改变了原有流场特性，传热强化的同时阻力增加非常明显。须毛状强化元件(专利号98202045.7)是将金属细丝固定在处于管轴心的支架上(图1c)，通过强化通道中心区域流体与管壁之间的换热达到增强流体与通道壁换热的目的。但管中心较大速度流体的绕流金属丝和支架会带来阻力的增加，而且其加工和布置困难，制约着大批量生产。内翅弹簧丝强化管是在内翅片管内插入较小直径的金属弹簧丝，弹簧丝与管壁紧密接触(图1d)。弹簧丝起到肋的部分作用，同时加大近壁区流体的径向绕流。这种依靠绕流的强化方法必然会导致阻力大幅度提高，而且导致了更大的加工难度和费用。本技术的目的是设计一种双螺旋弹簧传热强化管，根据最新的对流换热机理，改进已有传热强化元件的结构，使传热强化元件传热效率高，又易于制造。本技术设计一种双螺旋弹簧传热强化管，由金属管和双螺旋弹簧组成，双螺旋弹簧插入金属管内，双螺旋弹簧是由金属丝缠绕成小弹簧，再由小弹簧沿着弹簧螺旋线再次缠绕成小弹簧而制成，其尺寸关系满足d＝0.02～0.06DDs＝0.1～0.4D Ls＝2～10dDd＝D-DsLd＝1.5～4Ds上式中，D为强化管的直径，d缠绕小弹簧所用金属丝的直径，Ds为缠成的小弹簧直径，Ls为小弹簧螺距，Dd为大弹簧直径，Ld为大弹簧螺距。本技术设计的双螺旋弹簧传热强化管，具有以下特点1、采用的是微细直径的高导热金属丝。2、金属丝的填充率较低，流动阻力增加的幅度较小。3、强化的机理是提高传热空间的导热性能，对原有流场特性改变小。换热系数可以提高几倍乃至十几倍，相应地功耗的增加要小得多(具体值取决于流体介质的种类和速度等参数)。4、适用于广泛的Re范围(层流和湍流)。5、适用于管内和管外强化。6、适用于非园截面管的传热强化。7、可以实现较大直径范围(10毫米至200毫米)内传热管的强化。8、双螺旋弹簧的加工方法简单可行，不需要昂贵的专用设备。 附图说明图1是已有技术中强化元件的结构示意图，图1中，a为内翅片，b为绕花丝，c为须毛状，d为弹簧丝。图2为管内传热强化对流换热机理示意图。图3是小弹簧结构示意图。图4是双螺旋弹簧结构示意图。图5是本技术设计的强化管结构示意图。以下结合附图，详细介绍本技术的内容。图5中，1是大弹簧，2是强化管。本技术设计的双螺旋弹簧传热强化管，其制作过程如下1、采用高导热性能的金属丝(铜丝、铁丝和不锈钢丝等)，直径d满足d＝0.02～0.06D，其中D为强化管的直径。2、首先将金属丝缠绕成弹簧(为表达方便称为小弹簧，如图3)，小弹簧直径Ds和螺距Ls满足Ds＝0.1～0.4D；Ls＝2～10d。3、将上面加工好的弹簧沿着弹簧螺旋线再次缠绕成弹簧(为表达方便称为大弹簧，因而整个元件称之为双螺旋弹簧，如图4)，大弹簧直径Dd和螺距Ld，满足Dd＝D-Ds；Ld＝1.5～4Ds。4、通过专用工具具将双螺旋弹簧插入金属管内(如图5)。5、由于自身弹性作用，双螺旋弹簧紧密地与金属管的内表面相接触。6、为了降低接触热阻和提高接触强度，双螺旋弹簧与金属管表面之间可采用钎焊技术。对于焊接强度要求较低的强化管，可以在弹簧丝和金属管的表面镶上一层锡铅钎料，在双螺旋弹簧套装和插入后再加热实现软钎焊对于焊接强度要求较高的强化管可以采用硬钎焊技术。7、金属弹簧沿着椭圆或其它螺旋路径缠绕而成可以实现椭圆管或其它非园截面管的传热强化。对流换热强度决定于传热空间的导热性能和流体的对流性能，其中导热是基础，对流是必要条件；任何由管壁传给管中心流体的热量必须首先依靠流体导热传到管中心区域，然后通过对流传给流体主流；靠近壁面处的低速度流体(图2中高度为H的区域)主要是起着导热作用，其带走热量的能力弱；远离壁面的高速度流体(图2中高度为D的区域)主要起着对流作用(带走热量)。同时，D区的流体速度大，与管壁面的温差大，因而相对于H区来说具有更大的带走热量的能力；然而，尽管D区流体的对流能力强(速度大)，但由于该处流体带走的热量都必须依靠导热穿越H区。因此，H区的导热性能差必然成为整个对流换热的瓶颈。对于H/D＝0.5时，如果将H区流体导热系数增加一倍，D区不变，计算得出换热系数提高80％；相反D区流体导热系数增加一倍，H区不变，换热系数仅提高10％。双螺旋弹簧传热强化正是解决了H区流体的低导热性能，大幅度地提高了近壁处(低速度区)传热空间的导热性能，而不是传统的增加了传热面积。而且，由于金属丝的直径和流体的速度小，绕流阻力是微弱的。金属丝的导热系数通常要比流体介质高出几百甚至上千倍，因此较小金属丝填充率的传热空间的导热性能被大大提高了几倍至几十倍(图2中以点描绘的高度为H的区域)。因而与传统肋理论不同的是金属丝的作用不是提高了H区的对流换热能力，而是通过改善H区导热能力提高D区对流换热能力。对于层流来说，H/D的值一般取1～3，理论和计算表明低速度时对流换热系数与阻力系数基本是成同比例增加。对流换热系数可以增加2至20倍，而功耗只增加1.4至3倍。对于湍流对流换热强化，一般方法是尽可能破坏或减薄层流边界层，但这种方法会带来压降急剧升高。与此相反的是，双螺旋弹簧的存在滞止了近壁处的流体，因而增加了速度和温度边界层厚度。但由于这种厚度增加了的边界层内导热性能的大幅度提高，整体对流换热性能改善程度非常可观；另外，边界层内尽管存在着流体扰流金属丝的阻力，但由于边界层厚度的增加使得径向速度梯度减小，流体压降增加幅度不是很大。对于湍流来说，H/D的值一般取0.25～0.5，管内Re数越大H/D相应减小。权利要求1.一种双螺旋弹簧传热强化管，其特征在于，该强化管由金属管和双螺旋弹簧组成，所述的双螺旋弹簧插入金属管内，所述的双螺旋弹簧是由金属丝缠绕成小弹簧，再由小弹簧沿着弹簧螺旋线再次缠绕成小弹簧而制成，其尺寸关系满足d＝0.02～0.06DDs＝0.1～0.4D Ls＝2～10dDd＝D-DsLd＝1.5～4Ds上式中，D为强化管的直径，d缠绕小弹簧所用金属丝的直径，Ds为缠成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双螺旋弹簧传热强化管，其特征在于，该强化管由金属管和双螺旋弹簧组成，所述的双螺旋弹簧插入金属管内，所述的双螺旋弹簧是由金属丝缠绕成小弹簧，再由小弹簧沿着弹簧螺旋线再次缠绕成小弹簧而制成，其尺寸关系满足：ｄ＝０．０２～０．０６ＤＤ ↓［ｓ］＝０．１～０．４Ｄ Ｌ↓［ｓ］＝２～１０ｄＤ↓［ｄ］＝Ｄ－Ｄ↓［ｓ］ Ｌ↓［ｄ］＝１．５～４Ｄ↓［ｓ］上式中，Ｄ为强化管的直径，ｄ缠绕小弹簧所用金属丝的直径，Ｄ↓［ｓ］为缠成的小弹簧直径，Ｌ↓［ｓ］为小弹簧螺距，Ｄ↓［ｄ］为 大弹簧直径，Ｌ↓［ｄ］为大弹簧螺距。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏再忠，胡桅林，过增元，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]