一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构及其设计方法

文档序号:10684232阅读:799来源:国知局
一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构及其设计方法,该波纹翅片换热结构包括多列换热管和波纹翅片,波纹翅片为锯齿形波纹板,相邻两列换热管中的换热管呈交错布设;波纹翅片由多个波纹翅片单元组成,每个波纹翅片单元均包括两个对称布设的条形板;相邻三个条形板组成一个供一列换热管布设的换热管布设板,换热管外侧均设置有强化换热结构;该设计方法包括步骤:一、波纹翅片尺寸参数确定;二、换热管间距确定;三、强化换热结构尺寸参数确定。本发明设计合理、加工制作简便且使用效果好,通过在波纹翅片上安装换热管,并在各换热管外侧设置强化换热结构,能有效提高换热效率,能减小矿井空冷器体积,便于井下高温作业地点安装、布置。
【专利说明】
-种矿井空冷器用波纹翅片换热结构及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于热交换技术领域,尤其是设及一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构及 其设计方法。
【背景技术】
[0002] 目前,随着煤炭开采深度增加和机械化程度提高,矿井工作面高溫热害已成为制 约深部开采的瓶颈之一,同时严重影响作业人员的生命安全和工作效率。矿井空调是治理 与控制高溫热害的主要手段,作为末端设备的空冷器是矿井制冷降溫系统中最重要的换热 部件,其流动与换热特性对降溫系统运行效率和稳定性均具有重要影响。空冷器广泛使用 的布置形式是管翅式,由于管外空气自身热物性限制,传热过程的热阻主要集中在管外空 气侧。因此,通常在空气侧安装翅片增大换热面积,并布置附属结构来改善流动状况和换热 性能。
[0003] 常用的翅片主要有平直翅片、开缝翅片、百叶窗翅片和波纹翅片等,并且,在翅片 表面开设满发生器也能实现强化换热。2008年12月31日公开的公开号为CN101334245A的发 明专利申请文件中公开了一种侧置纵向满发生器的管翅式换热器,该管翅式换热器的每根 换热管两侧设置=角翼形纵向满发生器;2007年9月5日公开的公开号为CN100538247C的发 明专利申请文件中公开了一种换热表面,该换热表面是在平直翅片上布置Z字形状的纵向 波纹;2009年2月4日公开的公开号为CN101358816B的发明专利申请文件中公开了一种换热 管翅表面结构,具体是在换热管上套装弧形圆肋结构,并在平直翅片上开缝;2011年8月24 日公开的公开号为CN102162704B的发明专利申请文件中公开了一种福射型S角小翼管翅 强化换热表面结构,通过福射型布置的=角小翼强化换热,并且=角小翼的攻角逐渐变化; 2013年9月11日公开的公开号为CN103298322A的发明专利申请文件中公开了一种具有强化 对流换热能力的换热表面结构,布置有多组圆柱半球组合单元进行强化对流换热;2002年1 月2日公开的公开号为CN1329708C的发明专利申请文件中公开了一种热交换制冷剂过冷系 统,该系统在基片上布置=维翅片,其中=维翅片侧面为直角梯形且上端面为矩形;2009年 7月15日公开的公开号为CN101482377A的发明专利申请文件中公开了一种组合式管翅强化 换热表面结构,在来流上游布置=角翼满发生器,下游开设百叶窗形缝;2013年12月11日公 开的公开号为CN103438746B的发明专利申请文件中公开了一种用于余热回收的楠圆管H型 翅片换热器,该换热器在楠圆管上套装H型翅片,并对称布置攻角递减的=角翼满发生器。 上述发明专利申请文件公开的换热结构大都是在平直翅片上布置=角翼纵向满发生器并 实现换热能力强化,平直翅片构成的通道本身对空气的扰动小,且容易积灰结垢,使得换热 设备体积较大,难W应用于煤矿井下高溫作业区域。

【发明内容】

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种矿井空冷 器用波纹翅片换热结构,其结构简单、设计合理且加工制作简便、使用效果好,通过在波纹 翅片上安装换热管,并在各换热管外侧设置强化换热结构,能有效提高换热效率,能减小矿 井空冷器体积,便于井下高溫作业地点安装、布置。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种矿井空冷器用波纹翅片换 热结构,其特征在于:包括多列换热管和安装在多列所述换热管上的波纹翅片,所述波纹翅 片为银齿形波纹板;多列所述换热管呈均匀布设,每列所述换热管均包括多根沿波纹翅片 的长度方向由前至后布设的换热管,多根所述换热管均布设在同一直线上,多根所述换热 管的结构和尺寸均相同且其呈均匀布设;相邻两列所述换热管中的换热管呈交错布设;所 述波纹翅片由多个沿气流流向从后向前布设的波纹翅片单元组成,多个所述波纹翅片单元 的结构和尺寸均相同且其均布设在同一平面上;每个所述波纹翅片单元均包括两个对称布 设的条形板,两个所述条形板分别为背风侧条形板和位于背风侧条形板前侧的迎风侧条形 板;所述波纹翅片中的背风侧条形板和迎风侧条形板呈交错布设;
[0006] 相邻=个所述条形板组成一个供一列所述换热管布设的换热管布设板,所述换热 管布设板中的=个所述条形板沿气流流向从后向前分别为第一条形板、第二条形板和第= 条形板;所述换热管布设在第一条形板和第二条形板上;每个所述换热管的外侧均设置有 强化换热结构;所述强化换热结构包括两个对称布设在换热管的流向中屯、线左右两侧的强 化换热组件,所述流向中屯、线为沿气流流向布设的换热管的径向中屯、线;每个所述强化换 热组件均包括四个沿气流流向从后向前布设的强化换热件,四个所述强化换热件距所述流 向中屯、线的间距由后向前逐渐缩小,且四个所述强化换热件组成一个纵向满流通道;四个 所述强化换热件由后向前分别为第一矩形小翼、开缝组、第二矩形小翼和第=矩形小翼,所 述第一矩形小翼布设在所述第一条形板上,所述第二矩形小翼和所述开缝组均布设在所述 第二条形板上,所述第=矩形小翼布设在所述第=条形板上;所述开缝组包括多道布设在 所述第二条形板上的四边形缝,多个所述四边形缝的结构和尺寸均相同且其均呈平行布 设。
[0007] 上述一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征是:所述换热管布设板为第一 换热管布设板或第二换热管布设板,所述第一换热管布设板和所述第二换热管布设板呈交 错布设;所述第一换热管布设板中的所述第一条形板和所述第=条形板均为背风侧条形 板,且所述第一换热管布设板中的所述第二条形板为迎风侧条形板;所述第二换热管布设 板中的所述第一条形板和所述第=条形板均为迎风侧条形板,且所述第二换热管布设板中 的所述第二条形板为背风侧条形板;所述背风侧条形板为沿气流流向由后向前逐渐向下倾 斜的倾斜板,所述迎风侧条形板为沿气流流向由后向前逐渐向上倾斜的倾斜板。
[000引上述一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征是:所述波纹翅片单元中两个 所述条形板之间的夹角e = 150°~170°。
[0009] 上述一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征是:所述第一矩形小翼和第= 矩形小翼均为在所述条形板上冲出的矩形翼板,所述条形板上冲出第一矩形小翼和第=矩 形小翼后均形成矩形通孔,所述第二矩形小翼为焊接固定在所述第二条形板上的矩形翼 板。
[0010] 上述一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征是:所述第一矩形小翼和第= 矩形小翼的面积相同,所述第=矩形小翼的面积大于第二矩形小翼的面积。
[0011] 上述一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征是:多个所述四边形缝均为矩 形或平行四边形。
[0012] 上述一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征是:所述第二矩形小翼的攻角 曰2大于第一矩形小翼的攻角ai,第一矩形小翼的攻角ai大于第S矩形小翼的攻角03;其中,曰1 = 25° ~35°,日2 = 55° ~65°,日3 = 15° ~25° ;
[0013] 所述第二矩形小翼的倾角恥大于第一矩形小翼的倾角恥,第一矩形小翼的倾角q>i 大于第S矩形小翼的倾角斬;其中,和=55°~的U,q、=9(r,cp:'='1n。~。
[0014] 上述一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征是:所述换热管的外径与所述 波纹翅片单元的横向宽度W相同,所述换热管的外径为6mm~9mm,每列所述换热管中前后相 邻两个所述换热管之间的间距L = 13mm~18mm;所述第一矩形小翼距所述流向中屯、线的距 离为5mm~6mm,所述第二矩形小翼与所述流向中屯、线的距离为1.8mm~3.8mm,所述第S矩 形小翼与所述流向中屯、线的距离为1.2mm~1.8mm。
[0015] 上述一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征是:所述四边形缝沿所述条形 板的长度方向进行布设,且四边形缝的相邻两条边之间的夹角e = 55°~65°。
[0016] 同时,本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好的波 纹翅片强化换热表面结构的设计方法,其特征在于,该方法包括W下步骤:
[0017] 步骤一、波纹翅片尺寸参数确定:根据所采用换热管的外径,对波纹翅片中所述波 纹翅片单元的横向宽度W进行确定;并根据预先设计的换热效率,对所述波纹翅片单元中两 个所述条形板之间的夹角0进行确定,且预先设计的换热效率越高,所述波纹翅片单元中两 个所述条形板之间的夹角e越小;其中e = 150°~170%
[0018] 步骤二、换热管间距确定:根据预先设计的换热效率,并结合预先设计的换热管数 量,对每列所述换热管中前后相邻两个所述换热管之间的间距L进行确定,且预先设计的换 热效率越高,前后相邻两个所述换热管之间的间距L越小;其中L=13mm~18mm;
[0019] 步骤=、强化换热结构尺寸参数确定:根据预先设计的换热效率,对第一矩形小 翼、第二矩形小翼和第=矩形小翼的攻角、倾角和与所述流向中屯、线的距离分别进行确定, 并对所述开缝组中四边形缝的数量与四边形缝中相邻两条边之间的夹角e分别进行确定; 其中,第一矩形小翼的攻角01 = 25°~35°且其倾角化三日日°~-6日°,所述第二矩形小翼的 攻角日2 = 55°~65°且其倾角9产90°,第^矩形小翼的攻角日3=15°~25°且其倾角 斬=45°~50°,所述第一矩形小翼与所述流向中屯、线的距离为5mm~6mm,所述第二矩形小 翼与所述流向中屯、线的距离为1.8mm~3.8mm,所述第S矩形小翼与所述流向中屯、线的距离 为 1.2mm~1. Smm;
[0020] 并且,预先设计的换热效率越高,日1、化、日2、日3和恥的数值均越大,所述第一矩形 小翼、第二矩形小翼和第=矩形小翼与所述流向中屯、线的距离均越小,所述开缝组中四边 形缝的数量越多且四边形缝中相邻两条边之间的夹角e越小。
[0021 ]本发明与现有技术相比具有W下优点:
[0022] 1、所采用波纹翅片换热结构的结构简单且设计合理,投入成本较低。
[0023] 2、所采用的波纹翅片换热结构加工制作简便,该波纹翅片换热结构中波纹翅片为 银齿形波纹板,波纹翅片由多个沿气流流向从后向前布设的波纹翅片单元组成,每个波纹 翅片单元均包括两个对称布设的条形板,相邻=个条形板组成一个供一列所述换热管布设 的换热管布设板;并且,每个换热管的外侧均设置有强化换热结构。实际加工时,只需在预 先加工成型的波纹翅片上安装换热管,并在各换热管外侧设置强化换热结构即可。
[0024] 3、强化换热结构的结构设计合理、加工制作简便且使用效果好,该强化换热结构 包括两个对称布设在换热管的流向中屯、线左右两侧的强化换热组件,流向中屯、线为沿气流 流向布设的换热管1的径向中屯、线;每个强化换热组件均包括四个沿气流流向从后向前布 设的强化换热件,四个强化换热件距所述流向中屯、线的间距由后向前逐渐缩小,且四个强 化换热件组成一个纵向满流通道;四个强化换热件由后向前分别为第一矩形小翼、开缝组、 第二矩形小翼和第=矩形小翼,并且四个强化换热件的结构尺寸、布设位置、倾斜角度等参 数均进行具体限定。实际使用过程中,当流体经过波纹翅片表面时,强化换热结构中的各倾 斜矩形小翼(包括第一矩形小翼、第二矩形小翼和第=矩形小翼)与换热管的壁面之间W及 相邻两个强化换热结构的倾斜矩形小翼之间形成的渐缩通道加速流体,高速冲击和强烈旋 转的二次流共同作用有效冲刷下游换热管壁及其尾迹区,同时辅助开缝组W破坏边界层, 增强了流体的扰动,提高了溫度场和速度场的协同性。
[0025] 另外,所采用强化换热结构中四个强化换热件的四个强化换热件的结构尺寸、布 设位置、倾斜角度等参数调整简便,加工方式灵活,能满足不同换热需求。
[0026] 4、所采用波纹翅片换热结构的结构紧凑,能有效减小换热器体积,减少布设空间 对换热器的限制。
[0027] 5、所采用波纹翅片换热结构使用效果好且实用价值高,利用下降流型倾斜矩形小 翼与换热管的壁面W及相邻两个强化换热结构的倾斜矩形小翼之间形成的渐缩通道对下 游的换热管壁及其尾迹区实现冲刷,波纹翅片构成的通道自身能够增强流体扰动,同时辅 助倾斜布设的开缝组W破坏边界层,从而提高了矿井空冷器的换热量,减少结垢,能够在相 同压降和累功条件下较大幅度地提高换热量,有效减小矿井空冷器的体积,节省材料。综 上,采用该波纹翅片换热结构能同时实现强化换热和减少结垢,能够在相同的压降和累功 条件下较大幅度地提高换热性能,有效减小矿井空冷器的体积,便于井下高溫作业区域安 装布置。并且,所采用的强化换热结构设计合理,既能提高速度场和溫度场的协同性,又能 有效降低灰尘结垢;另外,第一矩形小翼和第=矩形小翼的材料取自翅片表面,节省了加工 所需原材料。
[0028] 实际使用时,本发明所采用波纹翅片换热结构一方面在换热管壁面附近和管后尾 迹区布置倾斜矩形小翼,利用其间形成的渐缩通道加速流体,其高速冲击和强烈旋转的二 次流共同作用直接冲刷下游换热管壁和尾迹区,后移了流动分离点,减小了换热管后侧的 尾迹区,增强了溫度场和速度场的协同性;另一方面波纹翅片构成的流道W及翅片表面冲 出的开缝能增强流体扰动,破坏边界层。此外,利用流经渐缩通道的高速流体冲击换热管壁 及翅片表面,有效减少结垢。因而,采用该波纹翅片换热结构能够提高管翅式换热器的换热 量,减少结垢,同时能有效减小矿井空冷器的体积。
[0029] 6、所采用波纹翅片换热结构的设计方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效 果好,设计好的波纹翅片换热结构能满足预先设计的换热需求。
[0030] 7、所采用波纹翅片换热结构适用面广且推广应用前景广泛,不仅能用于矿井空冷 器的强化换热结构,也适用于矿井空气压缩制冷技术中蒸发器及冷凝器的强化换热结构。
[0031] 综上所述,本发明设计合理、加工制作简便且使用效果好,通过在波纹翅片上安装 换热管,并在各换热管外侧设置强化换热结构,能有效提高换热效率,能减小矿井空冷器体 积,便于井下高溫作业地点安装、布置,并且换热通道流杨,不易积灰结垢。
[0032] 下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明波纹翅片换热结构的结构示意图。
[0034] 图2为本发明波纹翅片换热结构中强化换热结构的布设位置示意图。
[0035] 图3为本发明波纹翅片换热结构的设计方法流程框图。
[0036] 图4为本发明波纹翅片换热结构与常规平直翅片换热结构和常规波纹翅片换热结 构在相同压降条件下的强化换热性能对比图。
[0037] 图5为本发明波纹翅片换热结构与常规平直翅片换热结构和常规波纹翅片换热结 构在相同累功条件下的强化换热性能对比图。
[003引附图标记说明:
[0039] 1-换热管; 2-波纹翅片; 2-1-背风侧条形板;
[0040] 2-2-迎风侧条形板; 3-第一矩形小翼; 4-四边形缝;
[0041] 5-第二矩形小翼; 6-第S矩形小翼。
【具体实施方式】
[0042] 如图1、图2所示的矿井空冷器用波纹翅片换热结构,包括多列换热管1和安装在多 列所述换热管1上的波纹翅片2,所述波纹翅片2为银齿形波纹板;多列所述换热管1呈均匀 布设,每列所述换热管1均包括多根沿波纹翅片2的长度方向由前至后布设的换热管1,多根 所述换热管1均布设在同一直线上,多根所述换热管1的结构和尺寸均相同且其呈均匀布 设;相邻两列所述换热管1中的换热管1呈交错布设;所述波纹翅片2由多个沿气流流向从后 向前布设的波纹翅片单元组成,多个所述波纹翅片单元的结构和尺寸均相同且其均布设在 同一平面上;每个所述波纹翅片单元均包括两个对称布设的条形板,两个所述条形板分别 为背风侧条形板2-1和位于背风侧条形板2-1前侧的迎风侧条形板2-2;所述波纹翅片2中的 背风侧条形板2-1和迎风侧条形板2-2呈交错布设;
[0043] 相邻=个所述条形板组成一个供一列所述换热管1布设的换热管布设板,所述换 热管布设板中的=个所述条形板沿气流流向从后向前分别为第一条形板、第二条形板和第 =条形板;所述换热管1布设在第一条形板1-1和第二条形板1-2上;每个所述换热管1的外 侧均设置有强化换热结构;所述强化换热结构包括两个对称布设在换热管1的流向中屯、线 左右两侧的强化换热组件,所述流向中屯、线为沿气流流向布设的换热管1的径向中屯、线;每 个所述强化换热组件均包括四个沿气流流向从后向前布设的强化换热件,四个所述强化换 热件距所述流向中屯、线的间距由后向前逐渐缩小,且四个所述强化换热件组成一个纵向满 流通道;四个所述强化换热件由后向前分别为第一矩形小翼3、开缝组、第二矩形小翼5和第 =矩形小翼6,所述第一矩形小翼3布设在所述第一条形板上,所述第二矩形小翼5和所述开 缝组均布设在所述第二条形板上,所述第=矩形小翼6布设在所述第=条形板上;所述开缝 组包括多道布设在所述第二条形板上的四边形缝4,多个所述四边形缝4的结构和尺寸均相 同且其均呈平行布设。
[0044] 本实施例中,所述换热管布设板为第一换热管布设板或第二换热管布设板,所述 第一换热管布设板和所述第二换热管布设板呈交错布设;所述第一换热管布设板中的所述 第一条形板和所述第=条形板均为背风侧条形板2-1,且所述第一换热管布设板中的所述 第二条形板为迎风侧条形板2-2;所述第二换热管布设板中的所述第一条形板和所述第= 条形板均为迎风侧条形板2-2,且所述第二换热管布设板中的所述第二条形板为背风侧条 形板2-1;所述背风侧条形板2-1为沿气流流向由后向前逐渐向下倾斜的倾斜板,所述迎风 侧条形板2-2为沿气流流向由后向前逐渐向上倾斜的倾斜板。
[0045] 实际进行加工时,所述波纹翅片单元中两个所述条形板之间的夹角0 = 150°~ 170。。
[0046] 本实施例中,所述第一矩形小翼3和第=矩形小翼6均为在所述条形板上冲出的矩 形翼板,所述条形板上冲出第一矩形小翼3和第=矩形小翼6后均形成矩形通孔,所述第二 矩形小翼5为焊接固定在所述第二条形板上的矩形翼板。
[0047] 本实施例中,所述第一矩形小翼3和第=矩形小翼6的面积相同,所述第=矩形小 翼6的面积大于第二矩形小翼5的面积。
[0048] 实际加工时,多个所述四边形缝4均为矩形或平行四边形。
[0049] 本实施例中,多个所述四边形缝4均为平行四边形。
[0050] 并且,所述四边形缝4的长宽比为4.6。实际加工时,可根据具体需要,将四边形缝4 的长宽比在4~5之间进行相应调整。
[0051] 本实施例中,每个所述开缝组中所包括四边形缝4的数量为3个,3个所述四边形缝 4呈均匀布设。实际加工时,可根据具体需要,对每个所述开缝组中所包括四边形缝4的数量 W及相邻两个所述四边形缝4之间的布设间距分别进行调整。
[0052] 所述第二矩形小翼5的攻角02大于第一矩形小翼3的攻角ai,第一矩形小翼3的攻角 曰1大于第立矩形小翼6的攻角日3;其中,日1 = 25°~35°,日2 = 55°~65°,日3 = 15°~25。;
[0化3] 所述第二矩形小翼5的倾角f2大于第一矩形小翼3的倾角中1,第一矩形小翼3的倾 角和大于第S矩形小翼6的倾角恥;其中,取=55°~邮。,中/二90。,取3='15°~5円。。 [0化4]本实施例中,口1 = 30。,口2 = 60。,口3 = 20。,恥二60。,(|>:;=日0°。
[0化日]实际加工时,可根据具体需要,对〇1、〇2、〇3、恥和恥的取值大小进行相应调整。
[0056] 本实施例中,所述第一矩形小翼3的长宽比为2.12,第二矩形小翼5的长宽比为 2.07,第S矩形小翼6的长宽比为2.05。
[0057] 实际加工时,可将第一矩形小翼3的长宽比在2.07~2.17之间进行相应调整,并且 可将第二矩形小翼5的的长宽比2.02~2.12之间进行相应调整,同时可将第=矩形小翼6的 长宽比在2~2.1之间进行相应调整。
[005引实际布设安装时,所述第一矩形小翼3、第二矩形小翼5和第=矩形小翼6与所述流 向中屯、线之间的夹角均为30°~50°,并且第一矩形小翼3、第二矩形小翼5和第S矩形小翼6 均由后向前逐渐向靠近所述流向中屯、线一侧倾斜。
[0059]并且,所述换热管1的外径与所述波纹翅片单元的横向宽度W相同,所述换热管1的 外径为6mm~9mm,每列所述换热管1中前后相邻两个所述换热管1之间的间距L= 13mm~ 18mm;所述第一矩形小翼3距所述流向中屯、线的距离为5mm~6mm,所述第二矩形小翼5与所 述流向中屯、线的距离为1.8mm~3.8mm,所述第兰矩形小翼6与所述流向中屯、线的距离为 1.2mm~l .8mm〇
[0060] 本实施例中,所述第一矩形小翼3距所述流向中屯、线的距离为5.5mm,所述第二矩 形小翼5与所述流向中屯、线的距离为2.3mm,所述第S矩形小翼6与所述流向中屯、线的距离 为1.3mm。
[0061] 实际加工时,可根据具体需要,对换热管1的外径、每列所述换热管1中前后相邻两 个所述换热管1之间的间距L、第一矩形小翼3距所述流向中屯、线的距离、第二矩形小翼5与 所述流向中屯、线的距离和第=矩形小翼6与所述流向中屯、线的距离分别进行相应调整。
[0062] 其中,第一矩形小翼3距所述流向中屯、线的距离为第一矩形小翼3的几何中屯、点至 位于该第一矩形小翼3内侧的换热管1的流向中屯、线的水平距离,第二矩形小翼5与所述流 向中屯、线的距离为第二矩形小翼5的几何中屯、点至位于该第二矩形小翼5内侧的换热管1的 流向中屯、线的水平距离,第=矩形小翼6与所述流向中屯、线的距离为第=矩形小翼6的几何 中屯、点至位于该第S矩形小翼6内侧的换热管1的流向中屯、线的水平距离。
[0063] 本实施例中,所述四边形缝4沿所述条形板的长度方向进行布设,且四边形缝4的 相邻两条边之间的夹角e = 55°~65°。
[0064] 本实施例中,所述波纹翅片2由平直钢板冲压而成,所述换热管1与波纹翅片2呈垂 直布设。
[0065] 如图3所示的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构的设计方法,包括W下步骤:
[0066] 步骤一、波纹翅片尺寸参数确定:根据所采用换热管1的外径,对波纹翅片2中所述 波纹翅片单元的横向宽度W进行确定;并根据预先设计的换热效率,对所述波纹翅片单元中 两个所述条形板之间的夹角0进行确定,且预先设计的换热效率越高,所述波纹翅片单元中 两个所述条形板之间的夹角e越小;其中e = 150°~170%
[0067] 步骤二、换热管间距确定:根据预先设计的换热效率,并结合预先设计的换热管1 数量,对每列所述换热管1中前后相邻两个所述换热管1之间的间距L进行确定,且预先设计 的换热效率越高,前后相邻两个所述换热管1之间的间距L越小;其中L=13mm~18mm;
[0068] 步骤=、强化换热结构尺寸参数确定:根据预先设计的换热效率,对第一矩形小翼 3、第二矩形小翼5和第=矩形小翼6的攻角、倾角和与所述流向中屯、线的距离分别进行确 定,并对所述开缝组中四边形缝4的数量与四边形缝4中相邻两条边之间的夹角0分别进行 确定;其中,第一矩形小翼3的攻角ai = 25°~35°且其倾角(P产日5°~所述第二矩形小 翼5的攻角日2 = 55°~65°且其倾角恥=撕°:,第;矩形小翼6的攻角日3 = 15°~25°且其倾角 9:产化D~5(r,所述第一矩形小翼3与所述流向中屯、线的距离为5mm~6mm,所述第二矩形 小翼5与所述流向中屯、线的距离为1.8mm~3.8mm,所述第S矩形小翼6与所述流向中屯、线的 距离为1.2mm~1.8mm;
[0069] 并且,预先设计的换热效率越高,〇1、91、〇2、〇3和恥的数值均越大,所述第一矩形小 翼3、第二矩形小翼5和第=矩形小翼6与所述流向中屯、线的距离均越小,所述开缝组中四边 形缝4的数量越多且四边形缝4中相邻两条边之间的夹角0越小。
[0070] 因而,实际设计之前,先根据预先设计的换热效率,选择换热管1,并对换热管1的 外径和数量进行确定。其中,换热效率为实际传热量与理想传热量之比,其中实际传热量为 波纹翅片换热结构的实际传热量,理想传热量为波纹翅片溫度(即肋片溫度)均处于肋根溫 度下的传热量。其中,预先设计的换热效率为60%~85%。换热效率也称为肋片效率,即肋 片的实际散热量与其整个肋片都处于肋基溫度下的最大可能的散热量之比。
[0071] 如图4和图5所示,图4中横坐标为入口风速且纵坐标为相同压降下的强化换热指 标,图5中横坐标为入口风速且纵坐标为相同累功下的强化换热指标。从图4可W看出,入口 风速V为Im/s~5m/s条件下,与常规平直翅片换热结构和常规波纹翅片换热结构相比,本发 明所采用的波纹翅片换热结构在相同压降时的换热性能分别提高13%~45%和9%~ 13%,其中常规平直翅片换热结构由平直翅片和安装在平直翅片上的换热管组成,常规波 纹翅片换热结构由波纹翅片和安装在波纹翅片上的换热管组成。由图5所示,与常规平直翅 片换热结构和常规波纹翅片换热结构相比,入口风速V为Im/s~5m/s条件下,本发明所采用 的波纹翅片换热结构在相同累功时的换热性能分别提高19%~55%和12%~17%。图4和 图5中j为传热因子,f为摩擦因子,jo为平直翅片换热结构的传热因子,fo为平直翅片换热结 构的摩擦因子。
[0072] W上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明 技术实质对W上实施例所作的任何简单修改、变更W及等效结构变化,均仍属于本发明技 术方案的保护范围内。
【主权项】
1. 一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:包括多列换热管(1)和安装在多 列所述换热管(1)上的波纹翅片(2),所述波纹翅片(2)为锯齿形波纹板;多列所述换热管 (1)呈均匀布设,每列所述换热管(1)均包括多根沿波纹翅片(2)的长度方向由前至后布设 的换热管(1),多根所述换热管(1)均布设在同一直线上,多根所述换热管(1)的结构和尺寸 均相同且其呈均匀布设;相邻两列所述换热管(1)中的换热管(1)呈交错布设;所述波纹翅 片(2)由多个沿气流流向从后向前布设的波纹翅片单元组成,多个所述波纹翅片单元的结 构和尺寸均相同且其均布设在同一平面上;每个所述波纹翅片单元均包括两个对称布设的 条形板,两个所述条形板分别为背风侧条形板(2-1)和位于背风侧条形板(2-1)前侧的迎风 侧条形板(2-2);所述波纹翅片(2)中的背风侧条形板(2-1)和迎风侧条形板(2-2)呈交错布 设; 相邻三个所述条形板组成一个供一列所述换热管(1)布设的换热管布设板,所述换热 管布设板中的三个所述条形板沿气流流向从后向前分别为第一条形板、第二条形板和第三 条形板;所述换热管(1)布设在第一条形板(1-1)和第二条形板(1-2)上;每个所述换热管 (1)的外侧均设置有强化换热结构;所述强化换热结构包括两个对称布设在换热管(1)的流 向中心线左右两侧的强化换热组件,所述流向中心线为沿气流流向布设的换热管(1)的径 向中心线;每个所述强化换热组件均包括四个沿气流流向从后向前布设的强化换热件,四 个所述强化换热件距所述流向中心线的间距由后向前逐渐缩小,且四个所述强化换热件组 成一个纵向涡流通道;四个所述强化换热件由后向前分别为第一矩形小翼(3)、开缝组、第 二矩形小翼(5)和第三矩形小翼(6),所述第一矩形小翼(3)布设在所述第一条形板上,所述 第二矩形小翼(5)和所述开缝组均布设在所述第二条形板上,所述第三矩形小翼(6)布设在 所述第三条形板上;所述开缝组包括多道布设在所述第二条形板上的四边形缝(4),多个所 述四边形缝(4)的结构和尺寸均相同且其均呈平行布设。2. 按照权利要求1所述的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:所述换热 管布设板为第一换热管布设板或第二换热管布设板,所述第一换热管布设板和所述第二换 热管布设板呈交错布设;所述第一换热管布设板中的所述第一条形板和所述第三条形板均 为背风侧条形板(2-1),且所述第一换热管布设板中的所述第二条形板为迎风侧条形板(2-2);所述第二换热管布设板中的所述第一条形板和所述第三条形板均为迎风侧条形板(2-2),且所述第二换热管布设板中的所述第二条形板为背风侧条形板(2-1);所述背风侧条形 板(2-1)为沿气流流向由后向前逐渐向下倾斜的倾斜板,所述迎风侧条形板(2-2)为沿气流 流向由后向前逐渐向上倾斜的倾斜板。3. 按照权利要求1或2所述的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:所述 波纹翅片单元中两个所述条形板之间的夹角9 = 150°~170°。4. 按照权利要求1或2所述的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:所述 第一矩形小翼(3)和第三矩形小翼(6)均为在所述条形板上冲出的矩形翼板,所述条形板上 冲出第一矩形小翼(3)和第三矩形小翼(6)后均形成矩形通孔,所述第二矩形小翼(5)为焊 接固定在所述第二条形板上的矩形翼板。5. 按照权利要求1或2所述的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:所述 第一矩形小翼(3)和第三矩形小翼(6)的面积相同,所述第三矩形小翼(6)的面积大于第二 矩形小翼(5)的面积。6. 按照权利要求1或2所述的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:多个 所述四边形缝(4)均为矩形或平行四边形。7. 按照权利要求1或2所述的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:所述 第二矩形小翼(5)的攻角a2大于第一矩形小翼(3)的攻角 ai,第一矩形小翼(3)的攻角ai大于 第三矩形小翼(6)的攻角a3;其中, ai = 25°~35°,a2 = 55°~65°,a3=15°~25° ; 所述第二矩形小翼(5)的倾角92大于第一矩形小翼(3)的倾角卟,第一矩形小翼(3)的倾角 妒大于第三矩形小翼(6)的倾角恥;其中,cpf.W~阳°,私=90°,93=45"~553。8. 按照权利要求1或2所述的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:所述 换热管(1)的外径与所述波纹翅片单元的横向宽度W相同,所述换热管(1)的外径为6mm~ 9mm,每列所述换热管(1)中前后相邻两个所述换热管(1)之间的间距L = 13mm~18mm;所述 第一矩形小翼(3)距所述流向中心线的距离为5mm~6mm,所述第二矩形小翼(5)与所述流向 中心线的距离为1.8mm~3.8mm,所述第三矩形小翼(6)与所述流向中心线的距离为1.2mm~ 1.8mm〇9. 按照权利要求1或2所述的一种矿井空冷器用波纹翅片换热结构,其特征在于:所述 四边形缝(4)沿所述条形板的长度方向进行布设,且四边形缝(4)的相邻两条边之间的夹角 0 = 55° ~65°。10. -种对权利要求8所述波纹翅片换热结构进行设计的方法,其特征在于,该方法包 括以下步骤: 步骤一、波纹翅片尺寸参数确定:根据所采用换热管(1)的外径,对波纹翅片(2)中所述 波纹翅片单元的横向宽度W进行确定;并根据预先设计的换热效率,对所述波纹翅片单元中 两个所述条形板之间的夹角9进行确定,且预先设计的换热效率越高,所述波纹翅片单元中 两个所述条形板之间的夹角9越小;其中9 = 150°~170° ; 步骤二、换热管间距确定:根据预先设计的换热效率,并结合预先设计的换热管(1)数 量,对每列所述换热管(1)中前后相邻两个所述换热管(1)之间的间距L进行确定,且预先设 计的换热效率越高,前后相邻两个所述换热管(1)之间的间距L越小;其中L = 13_~18_; 步骤三、强化换热结构尺寸参数确定:根据预先设计的换热效率,对第一矩形小翼(3)、 第二矩形小翼(5)和第三矩形小翼(6)的攻角、倾角和与所述流向中心线的距离分别进行确 定,并对所述开缝组中四边形缝(4)的数量与四边形缝(4)中相邻两条边之间的夹角0分别 进行确定;其中,第一矩形小翼(3)的攻角 ai = 25°~35°且其倾角cp尸55°~65°,所述第二 矩形小翼(5)的攻角a2 = 55°~65°且其倾角(p::=90°,第三矩形小翼(6)的攻角a3 = 15°~25° 且其倾角93=45°~50°,所述第一矩形小翼(3)与所述流向中心线的距离为5mm~6mm,所 述第二矩形小翼(5)与所述流向中心线的距离为1.8mm~3.8mm,所述第三矩形小翼(6)与所 述流向中心线的距离为1.2mm~1.8mm; 并且,预先设计的换热效率越高,cn、卟、a2、a3和奶的数值均越大,所述第一矩形小翼 (3)、第二矩形小翼(5)和第三矩形小翼(6)与所述流向中心线的距离均越小,所述开缝组中 四边形缝(4)的数量越多且四边形缝(4)中相邻两条边之间的夹角0越小。
【文档编号】F28F1/32GK106052462SQ201610475214
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】张京兆
【申请人】西安科技大学
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