一种基于螺旋流型构造的换热强化管制造技术

本实用新型专利技术提供了一种基于螺旋流型构造的换热强化管，包括一根截面为圆形的金属管，所述金属管内表面上设置有多个能够使管内流体产生螺旋流型的凹陷结构。单个凹陷结构为球面与圆管所形成的半球冠形状，多个凹陷结构在金属管上整体呈现螺旋状排布。这种利用凹陷结构立面构建的间断式管内螺纹肋面，可以有效引导出管内流体产生螺旋流型流动，具有显著的强化换热作用，特别是在周向非均匀加热条件下更能突显旋流作用可以加强周向温度不同的流体掺混，改善径向和周向传热效果；其次，螺纹肋面的间断区也起到减小阻力损失的作用，且凹陷立面的背面本身是曲面过渡，这相比于普通螺纹肋将产生更小的绕流涡流损失。将产生更小的绕流涡流损失。将产生更小的绕流涡流损失。

【技术实现步骤摘要】
一种基于螺旋流型构造的换热强化管


[0001]本技术属于热传导
，特别涉及一种基于螺旋流型构造的换热强化管，适用于各类流动介质的换热器中使用，尤其适用于对高效传热和低阻有较高要求的装置。

技术介绍

[0002]能源是现代社会的重要物质基础，提高换热设备性能对能源高效利用有重要意义。管式换热器因其具有传热性能好、效率高、制造工艺简单等优点，而被大量用于暖通空调、低温与制冷、动力能源、石油化工、航空航天等行业中。在管式换热器中，应用最多的强化传热技术是采用粗糙表面或扩展表面的强化传热管，由此发展了多种异形强化传热管，并且在实际工业生产中得到广泛应用，主要有：波纹管、缩放管、针翅管、放置扰流元件传热管、钉头管、横纹槽管、锯齿形翅片管、花瓣形翅片管、螺纹管、螺旋扭曲扁管等。其中，螺纹管内流动由于受到螺纹结构的引导，靠近壁面的部分流体顺着螺纹肋方向发生旋转，这使得管内中心区域流体沿轴向流动的同时，另一部分流体则以螺旋流型向下游流动。这种螺旋流型，一方面对减薄流体边界层起到很大作用，同时也会引起流体边界层中质点的扰动，加快热量传递；另一方面，工程实际应用中有很多非均匀受热情况，比如锅炉水冷壁和太阳能集热器等，特别是周向非均匀加热条件下更能突显旋流作用可以显著加强温度不同的流体混合，改善径向和周向的传热效果。
[0003]螺旋流型的设计和优化是提高换热结构传热效果的一种有效方法。螺旋流型的构造设计过程中除了要考虑换热管换热性能，还需注重其能量损耗及流动阻力问题。普通圆管换热性能相对较差，而内螺纹管、螺旋槽管虽然能形成近壁面旋流提高换热效果，但也显著增大了流动阻力。因此，有必要建立一种高效传热且低阻的管道构型来优化其内部流场的流动形态，进而有效提高综合换热效能。

技术实现思路

[0004]针对建立一种高效传热且低阻的管道构型的需求，本技术提出了一种基于螺旋流型构造的换热强化管。
[0005]本技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于螺旋流型构造的换热强化管，包括一根截面为圆形的金属管，所述金属管内表面上设置有多个能够使金属管内流体产生螺旋流型的凹陷结构。
[0007]所述凹陷结构为球面与金属管内表面所形成的半球冠形状。
[0008]所述凹陷结构的深度为h＝(0.166～0.276)D，凹陷圆面半径r＝(0.213～0.316)D，其中D为金属管的直径。
[0009]所述多个凹陷结构在金属管内表面上呈螺旋状排布。
[0010]所述多个凹陷结构的圆心顺序相连形成金属管内表面上的螺旋线。
[0011]所述金属管内表面的螺旋线为2头或4头。
[0012]所述螺旋线的节距为p＝(1.35～1.96)D，螺旋线的升角为α＝(36
°
～51
°
)。
[0013]每条螺旋线上凹陷结构数量相同，且相邻凹陷结构轴向间距L＝(0.375～0.632)D 保持相同。
[0014]所述多个凹陷结构的直边线与金属管内表面上螺旋线同向，则多个凹陷结构的立面间断地构成了金属管内螺纹肋面。
[0015]有益效果：本技术针对建立高效传热且低阻的管道构型的需求，提出了一种基于螺旋流型构造的换热强化管。首先，本技术通过在圆管表面合理设计凹陷结构，利用凹陷结构立面构建了间断式管内螺纹肋面，可以有效引导出管内流体产生螺旋流型流动，具有显著的强化换热作用，特别是在周向非均匀加热条件下更能突显旋流作用可以加强周向温度不同的流体掺混，改善径向和周向传热效果；其次，螺纹肋面的间断区也起到减小阻力损失的作用，且凹陷立面的背面本身是曲面过渡，这相比于普通螺纹肋将产生更小的绕流涡流损失。本技术提出的一种高效传热且低阻的管道构型能够有效提高综合换热效能。
附图说明
[0016]图1为凹陷结构示意图；
[0017]图2为图1的俯视图；
[0018]图3为基于螺旋流型构造的换热强化管示意图；
[0019]图4为2的左视图；
[0020]图中，I:金属管内壁面；II:球面；III:凹陷球面；IV:凹陷立面；V:凹陷圆面圆心；VI: 过凹陷圆面圆心的直边线；D为金属管直径；R为球半径；r为凹陷圆面半径；h为凹陷深度；VII:金属管；VIII:凹陷结构；p为螺旋线的螺距；α为螺旋线的升角；L为相邻凹陷轴向间距。
具体实施方式
[0021]下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。
[0022]如图1至4所示，本技术的一种基于螺旋流型构造的换热强化管，包括一根截面为圆形的金属管VII，金属管VII内表面上设置有多个能够使管内流体产生螺旋流型的凹陷结构VIII。凹陷结构VIII为球面与金属管内壁所形成的半球冠形状，凹陷结构VIII的三维半球冠构型及几何尺寸主要由I圆管壁面和II球面的几何参数及相对位置所确定。优选的，凹陷结构VIII的深度为h＝(0.166～0.276)D，凹陷圆面半径r＝(0.213～0.316) D，其中D为金属管VII的直径。
[0023]合理设计圆管壁面上的多个凹陷结构VIII排布情况，如图3至4所示，多个凹陷结构VIII在金属管VII内表面上整体呈现螺旋状排布。多个凹陷结构VIII的圆心(即图2 中V所述)顺序相连形成圆管表面上螺旋线。多个凹陷结构VIII的直边线(即图2中 VI所述)与圆管表面上螺旋线同向，则多个凹陷结构VIII的立面(即图1中IV所示) 间断地构成了圆管内螺纹肋面。
[0024]优选的，金属管VII内表面螺旋线为2头或4头，螺旋线的节距为p＝(1.35～1.96) D，螺旋线升角为α＝(36
°
～51
°
)。每条螺旋线上凹陷结构VIII数量相同，且相邻凹陷轴向间
距L＝(0.375～0.632)D保持相同。
[0025]这种构成的间断式管内螺纹肋面，一方面可以有效引导出管内流体产生螺旋流型流动，具有显著的强化换热作用；另一方面，螺纹肋面的间断区也起到减小阻力损失的作用，且凹陷立面的背面本身是曲面过渡，这相比于普通螺纹肋将产生更小的绕流涡流损失。
[0026]实施例
[0027]首先，针对直径D＝0.38mm的金属管，选择球面半径R＝0.09mm，设计凹陷深度为 h＝(0.237)D，凹陷圆面半径r＝(0.237)D。
[0028]其次，金属管表面螺旋线设计为2头，螺旋线的节距为p＝(1.58)D，螺旋线升角为α＝(45
°
)。每条螺旋线上凹陷数量相同，且相邻凹陷轴向间距L＝0.394D保持相同。
[0029]基于上述设计，获得传热强化管如图3和4所示。
[0030]以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于螺旋流型构造的换热强化管，其特征在于：包括一根截面为圆形的金属管，所述金属管内表面上设置有多个能够使金属管内流体产生螺旋流型的凹陷结构。2.根据权利要求1所述的基于螺旋流型构造的换热强化管，其特征在于：所述凹陷结构为球面与金属管内表面所形成的半球冠形状。3.根据权利要求2所述的基于螺旋流型构造的换热强化管，其特征在于：所述凹陷结构的深度为h＝(0.166～0.276)D，凹陷圆面半径r＝(0.213～0.316)D，其中D为金属管的直径。4.根据权利要求1所述的基于螺旋流型构造的换热强化管，其特征在于：所述多个凹陷结构在金属管内表面上呈螺旋状排布。5.根据权利要求4所述的基于螺旋流型构造的换热强化管，其特征在于：所述多个凹陷结构的圆心顺序相连形成金属管内...

【专利技术属性】
技术研发人员：何赣鹏，李娜，李瑞，林士杰，胡方帅，田泽刚，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：新型
国别省市：