一种轴向卡板式的针翅型翅片管的制作方法

本发明涉及一种针翅型翅片管，特别涉及一种轴向卡板式的针翅型翅片管，其适用于动力、石油、化工、制冷、冶金等行业的各种类型的换热及加热设备。

背景技术：

随着我国经济的持续快速发展，能源供应紧张问题日益突出，节能、减排、降耗已成为我国经济和社会发展的必然要求。换热器作为动力、石油、化工、制冷、冶金乃至航空/火箭等工业过程的重要组成部分，它的安全高效运行意义重大。在各种换热设备中，通过翅片增加换热面积是常见的强化传热方式。

针翅型翅片管换热器是壳管式换热器的一种，针翅管是一种非连续翅片管,它是在基管表面焊上一系列小圆柱，因基管表面所焊接的圆柱形如针状而得名。研究和实践表明针翅型翅片管可以显著增加换热面积，增大烟气流通截面，降低烟速，减少积灰和磨损。然而尽管其具有良好的抗积灰能力和防磨性能，在含灰气流下，由于流体本身的粘性作用与逆压梯度的存在，流动必然发生分离，并在翅片管背风侧形成涡流滞止区，从而使含灰气流中的灰颗粒在背风侧不断累积，造成局部大量积灰，严重影响翅片管传热效率和换热器的安全高效运行。通过对针翅型翅片管的结构分析，我们发现含灰气流在经过针翅型翅片管时，在每组相对的针翅片间的局部空间几乎没有气体扰动，该局部空间的气体流动近似于平面流动，灰颗粒难以在不同翅片间流动，进一步加剧了积灰的形成。因此，通过采取必要的结构优化，减小涡流滞止区面积从而减少积灰，是一种行之有效的方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种轴向卡板式的针翅型翅片管，通过整体加装卡板，减小流动分离，减小涡流滞止区面积，从而减轻针翅型翅片管背风侧积灰，改善换热器的运行情况。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案为：

一种轴向卡板式的针翅型翅片管，包括基管1、销钉管组3和卡板组4；所述销钉管组3由左、右两组组成，且每组包括多列按照预设节距排列、沿基管1外壁轴向平行布置的针翅型翅片管；所述卡板组4由左、右两组相同的矩形卡板组成，位于销钉管组3背风侧；所述销钉管组3与卡板组4通过孔2，以卡套或焊接的方式相连，。

所述的基管1为圆管、椭圆管和腰圆管中的任意一种。

所述卡板组4为在其沿长度方向的边缘按照基管1上销钉管组3的节距开有孔2，或在其沿宽度方向上中间按照基管1上销钉管组3的节距开孔2，孔2通过冲压实现一次成型；在卡板组4沿长度方向的一边边缘按照基管1上销钉管组3的节距开有的孔2形状为契合销钉管组3形状的半圆形或者半H形，在卡板组4两边边缘按照基管1上销钉管组3的节距开有的孔2形状为契合销钉管组3形状的半圆形，在卡板组4沿宽度方向上中间按照基管1上销钉管组3的节距开有的孔2形状为契合销钉管组3形状的圆形；若卡板组4沿宽度方向上中间开孔2，其单边边缘开有半圆形凹槽或不开槽。

所述卡板组4与销钉管组3的连接形式为两个一边边缘开孔2的卡板卡套在沿基管1轴向的同一排针翅型翅片管上；或将一个两边边缘开孔2的卡板卡在沿基管1轴向的两排针翅型翅片管之间；或将中间开孔2的卡板直接卡套在沿基管1轴向的同一排针翅型翅片管上。

若将一个两边边缘开孔2的卡板卡在沿基管1轴向的两排销钉管之间，以烟气来流方向为正视方向，所卡位置在销钉管组3的倒数第二、三根针翅型翅片管之间，或在销钉管组3的倒数第一、二根针翅型翅片管之间，即卡板组4所卡位置只要不超过基管1与来流方向垂直的中心对称位置即可。

所述开孔2面积大于针翅型翅片管截面，两者为间隙配合；对于所述卡板组4，以所卡套销钉管组3处与基管1轴向线平行的直线作为卡板基准方向，其倾斜方向与气体来流方向的攻角为10°～80°。

所述卡板组4的左、右两组为一个或多个布置在烟气流出的一侧，根据每一组卡板的数目，形成双卡板针翅型翅片管及多卡板针翅型翅片管。

所述的销钉管组3的排列方式分为顺列布置、沿基管1轴向或垂直于基管1轴向错列布置以及沿烟气流动方向上的不等距布置。

所述的卡板组4和销钉管组3均关于基管1成对称布置。

以烟气来流方向为正视方向，当存在粘性积灰时，所述销钉管组3与烟气来流方向的近端的的左、右两组间焊接有沿基管1轴向放置的矩形板5，以防止含灰气流冲刷正面产生的积灰，其中矩形板5是焊接在若干个支架6上，矩形板5底边和基管1表面净距离大于5mm，支架直接以全焊透结构焊接在基管1上。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

(1)本发明通过加装卡板，突破了传统纵向涡发生器只能从属于翅片表面的思维限制，这种卡板位于翅片管背风侧，且向内开槽，而非一般纵向涡发生器的向外布置，这样能够有效消除积灰起始区，明显减少翅片管背风侧的流动滞止区，并极大减少流动滞止区域的翅片侧面和基管积灰。

(2)本发明能够有效增强针翅型翅片管的传热效果，相对于传统的针翅型翅片管，其传热系数可以提高20％以上。

(3)本发明对原有的针翅型翅片进行结构创新，通过卡板实现针翅型翅片管背风侧涡流滞止区的改善。本发明所述的这种针翅型翅片组，可以通过冲压成型快速得到，易于实现自动化生产。

(4)本发明结合工业实践，提出双侧开槽，烟气流出侧安装的加工和装配思路，一方面是出于对实际装配的考虑，使翅片在与基管焊接时不需要考虑翅片安装的方向性；另一方面这种烟气流入侧孔能够形成流动及边界层中断，使边界层流动重启，从而使边界层减薄，局部换热系数增加，达到强化传热的目的。

综上所述，本发明的结构具有良好的传热和抗积灰特性，同时加工方便，易于实现批量生产，与工业生产联系紧密，具有极强的工业应用价值。

附图说明

图1为本发明的实施例一中卡板单边缘开半圆形孔的针翅型翅片管的示意图。

图2为本发明的实施例一中卡板单边缘开半圆形孔的针翅型翅片管与常规针翅型翅片管的气体流向示意图，其中：图2a为常规针翅型翅片管的气体流向示意图，图2b为本发明的实施例一中卡板单边缘开半圆形孔的针翅型翅片管的气体流向示意图。

图3为本发明的实施例二中不同基管形式下的带矩形卡板的针翅型翅片管的整体结构示意图，其中图3a为椭圆管，图3b为腰圆管。

图4为本发明的实施例三中相同销钉管表面形状下不同卡板单边边缘开孔形状的结构示意图。其中，图4a是卡板单边边缘开孔形状为半H形的针翅型翅片管的立体示意图，图4b是卡板单边边缘开孔形状为半H形卡板的主视图。

图5为本发明的实施例四中用于现有针翅型翅片管整体改造的卡板结构示意图，图5a是单边边缘不开半圆形凹槽中间开孔的卡板立体示意图，图5b是卡板单边边缘不开半圆形凹槽中间开孔的针翅型翅片管的立体示意图，图5c是单边边缘开半圆形凹槽中间开孔的卡板立体示意图，图5d是卡板单边边缘开半圆形凹槽中间开孔的针翅型翅片管的立体示意图。

图6为本发明的实施例五中双卡板针翅型翅片管的结构示意图，其中图6a是双卡板针翅型翅片管立体示意图，图6b是双卡板针翅型翅片管的主视图。

图7为本发明的实施例六中卡板卡在两个销钉管之间的结构示意图，其中，图7a是以烟气来流方向为正视方向，两边边缘开半圆孔的卡板卡在销钉管之间的针翅型翅片管卡在销钉管的倒数第二、三根管之间的针翅型翅片管的立体示意图，图7b是以烟气来流方向为正视方向，两边边缘开半圆孔的卡板卡在销钉管之间的针翅型翅片管卡在销钉管的倒数第一、二根管之间的针翅型翅片管的针翅型翅片管的立体示意图。

图8为本发明的实施例六中在基管上烟气来流方向增加矩形板的示意图，其中图8a为立体示意图，图8b为主视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更详细的说明。

实施例一

图1为本发明的实施例一中卡板单边缘开半圆形孔的针翅型翅片管的示意图。

该结构包括基管1、销钉管组3和卡板组4；所述销钉管组3由左、右两组组成，且每组按照一定节距规则排列，沿基管外壁轴向平行布置；所述卡板组4由左、右两组相同的矩形卡板组成；所述销钉管组3与卡板组4通过孔2，以卡套或焊接的方式相连。

在卡板一边边缘按照基管1上销钉管的节距开有的孔形状可以为契合销钉管形状的半圆形。对于所述卡板组4，以所卡套针翅型翅片管处与基管轴向线平行的直线作为卡板基准方向，其倾斜方向与气体来流方向的攻角为10°～80°。

卡板组4上开孔面积略大于针翅型翅片管截面，两者为间隙配合，针翅型翅片管与卡板之间通过孔实现对焊，并通过局部点焊将两者固定形成整体。

图2为本发明的实施例一中卡板单边缘开半圆形孔的针翅型翅片管与常规针翅型翅片管的气体流向示意图，其中：图2a为本发明的实施例一中卡板单边缘开半圆形孔的针翅型翅片管的气体流向示意图，图2b为常规针翅型翅片管的气体流向示意图。

如图2a所示，在含灰气流冲刷下，由于流体本身的粘性作用与逆压梯度的存在，流动必然发生分离，并在翅片管背风侧形成涡流滞止区，而滞止区内气体流速很低，气体无法继续携带灰颗粒运动，因此基本可以将滞止区视为积灰区。因此，含灰气流中的灰颗粒在背风侧不断累积，造成局部大量积灰，严重降低了针翅型翅片管的传热效果。如图2b所示，在加入轴向贯通的卡板后，卡板将部分烟气导流至基管背风侧，使积灰区面积减少，从而改善积灰情况。

实施例二

图3为本发明的实施例二中不同基管形式下的带矩形卡板的针翅型翅片管的整体结构示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

如图3中的图3a和图3b所示，基管1也不限定于实施例一中所述的圆管，还可以为椭圆管或腰圆管中的任意一种。

实施例三

图4为本发明的实施例三中相同销钉管表面形状下不同卡板单边边缘开孔形状的结构示意图。其中，图4a是卡板单边边缘开孔形状为半H形的针翅型翅片管的立体示意图，图4b是卡板单边边缘开孔形状为半H形卡板的立体示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

如图4所示，本发明所涉及的轴向卡板式的针翅型翅片管其单边边缘开孔不局限于半圆形，也可以为半H形。对于卡板单边边缘开孔形状为半H形的卡板，其倾斜方向与气体来流方向的攻角为10°～80°。需要特别说明的是，半H形卡板的设计是使其套在针翅型翅片管上后在局部形成一个变形的H形翅片管，这样可以进一步防止翅片管销钉部分的积灰，强化传热。带圆弧的矩形卡板设计思路与半H形卡板类似。

实施例四

图5为本发明的实施例四中用于现有针翅型翅片管整体改造的卡板结构示意图，图5a是单边边缘不开半圆形凹槽中间开孔的卡板立体示意图，图5b是卡板单边边缘不开半圆形凹槽中间开孔的针翅型翅片管的立体示意图，图5c是单边边缘开半圆形凹槽中间开孔的卡板立体示意图，图5d是卡板单边边缘开半圆形凹槽中间开孔的针翅型翅片管的立体示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

为了能在现有针翅型翅片管的基础上进行直接改造，本发明给出了如图5所示的解决方式，即将卡板沿宽度方向中间按照现有针翅型翅片管上的销钉管剖面大小与相邻翅片间节距，沿其长度方向开孔，然后直接卡套至针翅型翅片管上，通过点焊固定。

实施例五

图6为本发明的实施例五中双卡板针翅型翅片管的结构示意图。其中图6a是双卡板针翅型翅片管立体示意图，图6b是双卡板针翅型翅片管的主视图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

如图6中所示，销钉管组3上的卡板可多对布置，根据每组卡板的数目，可形成双卡板针翅型翅片管及多卡板针翅型翅片管。

实施例六

图7为本发明的实施例六中卡板卡在两个销钉管之间的结构示意图。其中，图7a是以烟气来流方向为正视方向，两边边缘开半圆孔的卡板卡在销钉管之间的针翅型翅片管卡在销钉管的倒数第二、三根管之间的针翅型翅片管的立体示意图，图7b是以烟气来流方向为正视方向，两边边缘开半圆孔的卡板卡在销钉管之间的针翅型翅片管卡在销钉管的倒数第一、二根管之间的针翅型翅片管的针翅型翅片管的立体示意图。在本实施例中，对于与实施例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

如图7中的图7a和图7b所示，若将一个两边边缘开孔的卡板卡在两个销钉管之间，以烟气来流方向为正视方向，所卡位置可以在销钉管组3的倒数第二、三根管之间，也可以在销钉管组3的倒数第一、二根管之间，即卡板所卡位置只要不超过基管1与来流方向垂直的中心对称位置即可。

实施例七

图8为本发明的实施例七种在基管上烟气来流方向增加矩形板的示意图，其中图8a为立体示意图，图8b为主视图。

如图8中的图8a和图8b所示，以烟气来流方向为正视方向，当存在粘性积灰时，所述销钉管的前部需焊接一块矩形板5，以防止含灰气流冲刷正面产生的积灰，矩形板5底边和基管表面净距离宜大于5mm，其中矩形板是焊接在若干个支架6上，支架6直接以全焊透结构焊接在基管上。