内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，包括传热管基体，传热管基体内表面设有内螺旋沟槽，内螺旋沟槽沿内表面呈螺旋状分布，螺旋轴线与传热管轴线同轴；热管基体外表面设有沿管轴成螺旋分布的多个肋片；所述的肋片彼此独立，构成整个传热管壁外表面的三维扩展曲面。本发明可以可较大地增加传热面积，肋片还可破坏滞流边界层，提高沸腾传热膜系数；管内分布的螺旋沟槽可诱发二次分离流，提升管内液体湍动程度，提高管内对流传热膜系数，且具有一定抗结垢能力。本发明适用于强化管内为低粘度且含一定杂质的液体和管外为高粘度、高沸点液体，尤其是液体有机化合物的换热。
【专利说明】内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种强化传热管，具体涉及一种可同时大幅度提高管外沸腾传热和管 内对流传热膜系数，且具有一定抗结垢能力的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管。
【背景技术】
[0002] 管壳式换热器是目前应用最为广泛的一种换热器，普遍应用于能源动力、石油化 工、制药、冶金等工业领域，其投资占总设备投资的比率可达到35%以上，因而采用强化传 热原理对管壳式换热器进行设计、改进就成为节能、提高设备利用率和可用率的关键。其 中，设计出高效的传热管--管壳式换热器的基本换热元件，是实现换热器高效换热的主 要途径。
[0003] 强化管外沸腾传热可以针对影响沸腾传热效率的各种因素采取不同的措施，其中 较为普遍的是改变传热管加热面的粗糙状态（程立新，陈听宽.沸腾传热强化技术及方法 [J].化工装备技术，1999, 20(1) :30-34)，以形成更多的汽化核心，增加气泡产生的概率， 达到强化沸腾传热的效果。基于这一理念，一批新型高效的强化传热管被开发了出来，有的 也申请了专利，如现在较常见的有多孔表面换热管、T形翅片管和低肋管。每种强化传热管 都有与之相对应的强化传热机理，并有其相应的应用范围。多孔表面换热管（廖丽华，董清 波，申传文，白尔义，汪志娟.铝多孔表面换热管强化沸腾换热的研究及其工业应用[J].化 工装备技术，2003, 24(1) :27-30)是在加热面表面覆盖金属粉末多孔层，与光滑管相比，其 沸腾传热膜系数可增大5?6倍，但是此类换热管加工工艺复杂，成本较高，换热器的投资 比起光滑管也大幅度地提高了。T形翅片管（罗国钦，陆应生，庄礼贤，邓颂九.T形翅片管 沸腾传热特性的研究[J].高校化学工程学报，1989, 3 (2) :56-62)与光滑管相比较，其沸腾 传热系数和临界热负荷有了显著提高，且加工极为简便，但是T形翅片管起始沸腾阶段存 在严重的沸腾滞后现象，该滞后现象的存在大大影响了其强化性能的发挥。低肋管结构简 单，易加工，其沸腾传热膜系数高于光滑管但低于T形翅片管[3]，且不同条件下达到最佳 强化效果的管的几何参数往往不同（董靓，张洪济，程俊国.低助管几何参数对沸腾传热的 影响及其优化[J].重庆大学学报，1990,13(1) :35-41)，这给实际应用带来了很大不便。上 述几种传热管对提高管外沸腾传热系数均有一定的效果，尤其是T形翅片管，其传热性能 可接近或甚至超过E管的水平。但是它们仅能作到管外侧单侧的强化传热，存在不能强化 管内对流传热系数方面的不足，这在一定程度上也限制了它们在某些方面的工业应用，如 管内为低粘度液体、管外为高粘度、高沸点液体间的换热场所。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于避免上述【背景技术】中提及的在某些场所，现有传热管的不足， 而提供一种内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，可同时大幅度提高管外沸腾传热和管 内对流传热膜系数，且具有一定抗结垢能力的双面强化传热管，直接满足当今及未来设计 对于高粘性、高沸点换热器中传热管的设计要求。
[0005] 本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
[0006] -种内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，包括传热管基体，传热管基体内表 面设有内螺旋沟槽，内螺旋沟槽沿内表面呈螺旋状分布，螺旋轴线与传热管轴线同轴；热管 基体外表面设有沿管轴成螺旋分布的多个肋片；所述的肋片彼此独立，构成整个传热管壁 外表面的三维扩展曲面；所述的内螺旋沟槽、肋片与传热管基体为一体化结构，无接触热 阻。
[0007] 进一步优化实施的，所述的传热管基体外表面的肋片是由从管端面开始，左旋弓 形截面螺旋沟槽与右旋弓形截面螺旋沟槽相互交叉自然成型的，肋片的轴向间距为30? 50_，肋片高度为3. 0?8. 0_。
[0008] 进一步优化实施的，所述传热管基体内表面的内螺旋沟槽为左旋或右旋，沟槽的 螺旋角9的取值为65°?85°，其导程即螺距d为15?25_，槽深b = 1. 5mm?4. 5_。
[0009] 进一步优化实施的，形成所述肋片的左旋弓形截面螺旋沟槽的螺距与右旋弓形截 面螺旋沟槽的螺距相等或不相等，弓形截面螺旋沟槽的螺距c = 30?50mm，
[0010] 弓形截面的直径〇= 4. 0?10mm，弓形截面螺旋沟槽深e = 3. 0?8mm。
[0011] 进一步优化实施的，所述的肋片外形体积相等或不相等，但是肋片的高度相等， 肋片的高度h与弓形截面螺旋沟槽深e相同。
[0012] 进一步优化实施的，所述的传热管基体内螺旋沟槽的轴向截面形状是半圆形、倒 三角形中的一种。
[0013] 进一步优化实施的，所述的肋片与管外壁面垂直，与管轴线的夹角为75°? 88°，并沿轴线方向成螺旋状排列。
[0014] 进一步优化实施的，传热管的材质包括黄铜、紫铜、软质铝或软合金材料。
[0015] 较优的，所述的管外肋片与管基体为一体化结构，无接触热阻。并且管外肋片之 间相互独立，沿基体外表面成螺旋状分布，并与管外壁面垂直，与管轴线的夹角为75°? 88°，从而在管壁外表面形成完整的三维扩展曲面。相互独立的肋片之间留有的间隙形成 交叉隧道空间，每个肋片的高度与弓形截面螺旋沟槽深相同，为3. 0mm?8. 0mm。这种结构 可大幅度提高沸腾传热表面积，并且所述的肋片的高度越高，肋片外表面积越大，沸腾传热 性能越佳。另外，所述的肋片之间的间隙距可调，可针对不同的工况，以及不同的传热流体 黏度调节设置参数，更大程度地发挥出液体表面张力作用，加强气液相剪切力对传热管上 流体液膜的湍动作用，强化传热效果。这种结构的螺旋沟槽可诱发螺旋流和边界层分离流 等-次流，在大幅度提1?管内对流传热I吴系数的同时，还具有一定抗结垢的能力。
[0016] 所述的管内螺旋沟槽，其旋向可以是左旋抑或是右旋，沟槽的螺旋角0的取值为 65。?85。，其导程（或螺距）d为15?25臟，槽深b = 1. 5mm?4. 5臟。
[0017] 传热管主体材质可选用黄铜、紫铜、软质铝等其他有色金属或软合金材料。
[0018] 本发明主要的较优实施参数如下：
[0019] 传热管外管径D : 100?200mm
[0020] 管壁厚度8 :10?20mm
[0021] 内凹弓形左旋螺纹螺旋角a :75°?88°
[0022] 内凹弓形右旋螺纹螺旋角3 :95°?110°
[0023] 螺旋沟槽的螺旋角0 :65°?85°
[0024] 内表面螺旋沟槽的导程（或螺距）d : 15?25mm
[0025] 弓形截面的直径〇 :4. 0?10mm
[0026] 弓形截面螺旋沟槽深e :3. 0?8mm。
[0027] 肋片的高度h :与弓形截面螺旋沟槽深e相同
[0028] 弓形截面螺旋沟槽的螺距c :30?50mm
[0029] 内表面螺旋沟槽的槽深b :1. 5?4. 5mm。
[0030] 本发明的原理及作用如下：
[0031] 本发明强化管外沸腾传热的机理是：管外液体受管内液体加热，在沸腾过程中，在 所述的肋片的曲面方向上存在一定温差，该温差将引起两肋片间内的液体形成自然对流。 同时肋片的曲面提供汽泡成核中心，促进汽泡成核并长大，当肋片的曲面上产生的汽泡长 大到一定程度后，就会脱离加热曲面，自内向外浮动，而后破裂。汽泡的这类行为不仅扰动 了紧贴曲面的薄层液体，同时加剧了液体的整体对流湍动。另外，本发明管外沿轴向成螺旋 状分布的肋片结构也限制了管外隧道内产生的汽泡的逸出，使得汽泡沿着隧道壁曲面作 环向运动。汽泡与隧道内壁曲面接触的机会就在这一环向流动过程中得到了强化，从而提 高了沸腾传热膜系数。
[0032] 本发明强化管内对流传热的机理是：管内壁的螺旋沟槽会使靠近壁面的一部分液 体产生附加螺旋流动，提高液体流速的同时也使液体作螺旋状运动，进而使热阻减小，管内 对流传热膜系数得到增大。同时，壁面附近另一部分液体受螺旋沟槽凸肋作用，在肋的下流 面产生逆向压力梯度，引发二次分离流。该分离流将促使管内液体发生径向混合，增大主流 体和边界层流的混合程度，从而加快液体至壁面的传热速率。
[0033] 本发明的管内抗结垢机理是：管内壁设有半圆形、倒三角形截面的螺旋沟槽，该螺 旋沟槽可使管内低粘度液体在低速或低雷诺数（Re)下，产生沿管轴方向的螺旋流动，从而 引发附加分离流，这对管内壁具有较好的冲刷作用，介质沉积的可能性会有一定程度的减 少，充分延长液体中细颗粒物结垢的诱发期。另一方面，半圆形或倒三角形截面的螺旋沟槽 在管轴方向有较大的局部曲率梯度，也能迫使已经形成的垢层重新开裂，从管内壁面脱落 下来，配合附加分离流的作用，可达到一定的抗结垢效果。
[0034] 与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
[0035] 1、管壁外侧的肋片、管内螺旋沟槽采用无切削辊轧分多次成型加工而成，使肋片 连续分布，并与管基体一体化相连，完全无接触热阻。管外利用相互独立的肋片强化沸腾传 热，管内利用螺旋沟槽强化对流换热，这样可充分兼顾管内和管外对强化换热的要求。
[0036] 2、本发明管内特殊的螺旋沟槽结构可使管内液体流动过程中产生附加分离流和 纵向涡流，起到洗刷壁面的效果，使管内壁面不易结垢，从而确保持久良好的管内对流换热 性能，有一定的抗垢和防垢效能。
[0037] 3、本发明与管径参数相同的光滑管相比，在沸腾传热工况下，单管管外沸腾传热 月旲系数可提商200%以上、管内对流传热|旲系数可提商125%以上，总传热系数可提商85% 以上，而管内压降的增加小于5%，并不十分明显。
[0038] 4、同样换热条件下，采用本发明可使换热面积减少，管材及管板、筒体的材料、整 个加工组装工时相应地也可减少，从而使换热器的结构紧凑、制造成本降低。
[0039] 本发明作为一种高效能双面强化沸腾传热管，可广泛应用于高粘度、高沸点液体 沸腾传热的场合。例如，管内采用低粘度且含一定杂质的液体，对管外高粘度、高沸点液体 (尤其是液体有机化合物）进行加热的再沸器的换热元件就十分适合采用本发明。
【专利附图】
【附图说明】
[0040] 图1为实施例传热管的三维结构图。
[0041] 图2为实施例传热管的局部三维结构图。
[0042] 图3为实施例传热管的正视方向的局部剖视图。
[0043] 图4为实施例传热管的俯视方向的局部剖视图。
[0044] 图5为实施例传热管一种轴向剖面不意图。
[0045] 图6为实施例传热管在与图5视角成90°的方向上的轴向剖面示意图。
[0046] 图7为实施例传热管的轴向视图。
[0047] 图中：1_肋片；2-传热管基体；3-半圆形截面内螺旋沟槽；D-传热管外径；S -管 壁厚度；a _管外内凹弓形左旋螺纹螺旋角；0 _管外内凹弓形右旋螺纹螺旋角；9 _管内 螺旋沟槽的螺旋角；b_内表面螺旋沟槽的槽深；c-弓形截面螺旋沟槽的螺距；d-内表面螺 旋沟槽的导程（或螺距）；〇_弓形截面的直径。e-弓形截面螺旋沟槽深度。h-肋片的高 度。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图和实施例对发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限 于此。以下未特别详细说明的过程均是本领域技术人员可参照现有技术进行的。
[0049] 如图1实施传热管的三维结构图，图2本局部三维结构图所示，一种内螺旋外交叉 隧道双面强化沸腾传热管，包括传热管基体2、沿基体外表面成螺旋状分布的肋片1、沿基 体内表面分布的半圆形截面内螺旋沟槽3。其中，所述的管外肋片1是由从管端面开始，左 旋弓形截面螺旋沟槽与右旋弓形截面螺旋沟槽相互交叉自然成型的；所述的管内螺旋沟槽 是由左旋或右旋内凹单头或多头螺旋沟槽形成。
[0050] 如图1所示，管壁的外侧面为本发明所述的肋片，内侧面为螺旋沟槽，为表示清晰 起见，图2给出了本发明的局部三维结构图，图3给出了本发明正视方向的局部剖视图，图 4给出了本发明俯视方向的局部剖视图，图5、图6给出了不同视角方向下本发明的轴向剖 面示意图，图7给出了本发明的轴向视图。本发明结合了多孔表面换热管、T形翅片管和低 肋管等在沸腾传热和对流传热方面的优点，并避免了它们的不足。
[0051] 本发明实施例在传热管外表面设有两条交叉分布的、螺距相同、旋向相反的内凹 弓形螺纹，内凹弓形螺纹把管外表面切割成许多成螺旋状分布的肋片，这些肋片构成了管 外三维扩展内凹曲面。每个肋片与传热管外管壁为一体化结构，且与周围4个肋片在沟槽 底部相连接，每个肋片均与管壁相互垂直（参见图1?6)。管外肋片的高度越高，三维扩展 表面的比表面积就越大，其管外沸腾换热强化系数也就越高，但同时也增加了管外流体的 阻力。因此，每个肋片高度可以取为3. 0mm?8. 0mm(略小于弓形截面直径〇)，轴向间距c =30 ?50mm。
[0052] 在传热管的内侧面设有单头或多头左旋螺旋沟槽或右旋螺旋沟槽（详见图1? 6)。管内螺旋沟槽的深度越深，导程（或螺距）越小，其管内强化对流传热系数也越大，但 同时也增加了管内流体的压降。因此，每条螺旋沟槽的螺旋角9可以取为65°?85°，导 程（或螺距）d可以取为I5?25謹，槽深b = 1. 5謹?4. 5謹。
[0053] 本发明的实施可用光滑管为毛坯，采用专用轧管机并用挤压和少或无切削加工的 方式进行，管内螺旋沟槽3和管外肋片1分开加工成型。
[0054] -种可行的加工方法是，将铜质或铝质光滑管置于专用轧管机上，并将光滑管套 入成正三角形排列的特制模具内，沿管子径向夹紧模具，启动轧管机，3套模具同步左旋旋 转，渐渐收紧的模具可使管壁金属产生塑性变形并使管子产生左旋和轴向运动，从而形成 下凹的左旋弓形截面螺旋沟槽。此工序完工后，再重新将经该道工序加工后的管子套入同 一模具内（也可更换成另一套模具），夹紧模具，启动轧管机，此时使3套模具同步右旋，可 形成与前一步加工成型的弓形截面螺旋沟槽交叉且旋向相反的右旋弓形截面螺旋沟槽，两 条螺旋沟槽截面的直径为〇。此工序完工后，将模具更换为外表面为圆柱面的滚轮，将经前 2道工序加工后的管子套入，夹紧并旋转滚轮，沿轴向慢慢拉出管子，随着挤压量的增加，金 属沿径向和轴向流动。通过这3步加工，便可成形管外侧成螺旋状分布的肋片（1)。最后， 将一种半圆形或三角形的特制滚槽刀插入管内，进行挤压和少切削加工，滚槽刀通过挤压 管内侧壁的材料可形成左旋螺旋沟槽，若反向旋转管件，通过滚槽刀挤压管内侧壁的材料 可形成右旋螺旋沟槽，即可成形管内壁的螺旋沟槽表面。经过以上几道加工工序，便可将光 滑管毛坯加工成本发明。
[0055] 下面是一个本发明的具体例子，传热管的具体参数见表1。
[0056] 表 1
[0057]
【权利要求】
1. 一种内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，包括传热管基体，其特征在于传热管 基体内表面设有内螺旋沟槽，内螺旋沟槽沿内表面呈螺旋状分布，螺旋轴线与传热管轴线 同轴；热管基体外表面设有沿管轴成螺旋分布的多个肋片；所述的肋片彼此独立，构成整 个传热管壁外表面的三维扩展曲面。
2. 根据权利要求1所述的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，其特征在于：所述 的传热管基体外表面的肋片是由从管端面开始，左旋弓形截面螺旋沟槽与右旋弓形截面螺 旋沟槽相互交叉自然成型的，肋片的轴向间距为3(T50mm，肋片高度为3. (Γ8. Omm。
3. 根据权利要求1或2所述的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，其特征 在于：所述传热管基体内表面的内螺旋沟槽为左旋或右旋，沟槽的螺旋角Θ的取值为 65°?85° ,其导程即螺距￠/为15?25mm，槽深6=1. 5mm?4. 5mm。
4. 根据权利要求2所述的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，其特征在于：形成 所述肋片的左旋弓形截面螺旋沟槽的螺距与右旋弓形截面螺旋沟槽的螺距相等或不相等， 弓形截面螺旋沟槽的螺距c=3(T50mm，弓形截面的直径Φ=4. (TlOmm，弓形截面螺旋沟槽深 e=3. 0?8mm。
5. 根据权利要求2所述的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，其特征在于：所述 的肋片外形体积相等或不相等，但是肋片的高度相等，肋片的高度h与弓形截面螺旋沟槽 深e相同。
6. 根据权利要求1所述的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，其特征在于：所述 的传热管基体内螺旋沟槽的轴向截面形状是半圆形、倒三角形中的一种。
7. 根据权利要求1所述的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，其特征是，所述的 肋片与管外壁面垂直，与管轴线的夹角为75° ~88°，并沿轴线方向成螺旋状排列。
8. 根据权利要求1所述的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，其特征在于传热管 的材质包括黄铜、紫铜、软质铝或软合金材料。
9. 根据权利要求Γ8任一项所述的内螺旋外交叉隧道双面强化沸腾传热管，其特征在 于所述的内螺旋沟槽、肋片与传热管基体为一体化结构，无接触热阻。
【文档编号】F28F1/42GK104236369SQ201410467011
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】龙新峰, 陈莉 申请人:华南理工大学