一种具有沙丘形涡发生器的管翅式换热器的制作方法

本发明涉及换热器，尤其涉及一种具有沙丘形涡发生器的管翅式换热器。

背景技术：

换热器作为一种不同介质间进行热交换的通用工艺设备，广泛应用于供暖、动力、制冷、空调、石油乃至航空等行业。换热器在上述各行业中不仅是保证工程设备正常运转不可或缺的部件，而且在能源动力消耗方面占有重要份额，高效节能的传热传质设备的研发与应用，一直是换热工业所需解决的关键技术之一。

对于工作介质为空气和水的管翅式换热器，其换热性能主要取决于翅片表面传热系数和气流流经换热器时所消耗的能量。为了提高管翅式换热器换热性能，在翅片表面设置涡发生器是一种有效的提高传热措施，这种措施的主要技术特征在于利用涡发生器产生的纵向涡旋来破坏和削薄流体层和热边界层，从而改变主流的方向来强化换热，并且使阻力上升较小从而强化管翅式换热器的综合换热特性。

目前常用的涡发生器有两种，其中一种是翼型涡发生器，如三角翼、矩形翼、梯形翼或曲面翼，这种涡发生器由于端部能够产生较强的二次涡而具有较强的强化换热效果，但其形状和摩擦阻力较大。另一种是柱型涡发生器，如方柱、圆柱或椭圆柱，这种涡发生器具有较低的形状阻力，能在根部产生较强的马蹄涡系，进而强化与壁面的对流换热，但其强化传热效果相对较差。

为了寻求合适的涡发生器，在提高换热性能的同时尽可能地减少管翅式换热器流动阻力，具有重要的现实意义。受自然界中存在的新月形沙丘启发，本发明提出一种具有沙丘形涡发生器的管翅式换热器，在兼顾传热强化效能的同时具有较低的形状阻力，对于提高换热器效能、节能减排有重要的意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种具有沙丘形涡发生器的管翅式换热器设计，能够有效提高空气侧换热性能，并能减少换热器的流动阻力。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种具有沙丘形涡发生器的管翅式换热器，包括翅片和贯穿于翅片的多个换热管，所述翅片的一个侧面上设有多个涡发生器，每一所述涡发生器位于相邻的两个换热管之间，该涡发生器的形状呈流线型的沙丘形状。

相较于现有技术本发明具有如下有益效果：本发明的管翅式换热器在任意两个相邻的换热管之间设有沙丘形涡发生器，该沙丘形涡发生器具有典型的流线型特征，在达到同等换热条件下，具有较低的流动阻力，并能够有效提高空气侧换热性能。

优选的，所述多个换热管呈队列状均匀分布于所述翅片上，相邻两列所述换热管交错设置。

优选的，所述换热管为圆形、方形或异形的换热管道。

进一步的，所述沙丘形状呈新月形。

优选的，所述翅片的数量至少为两组，任意相邻的两组翅片相互平行并构成上下设置关系的上翅片和下翅片。

优选的，相邻的两组所述翅片之间的间距为h,所述涡发生器的高度为h,h＜3h。

优选的，所述涡发生器具有迎风面和背风面，所述迎风面的倾角在8°-30°之间，所述背风面的倾角在25°-50°之间。

优选的，空气流经所述涡发生器的迎风面时会在上、下翅片以及迎风面之间形成一个加速通道。

优选的，所述涡发生器的两侧均具有沿风向延伸的侧翼，两侧翼自背风面处沿风向下游延伸并构成翼角。

优选的，所述涡发生器采用焊接、粘结或嵌入的方式安装于所述翅片上。

附图说明

图1为本发明一种具有沙丘形涡发生器的管翅式换热器的立体示意图；

图2为本发明管翅式换热器的主视图；

图3为本发明管翅式换热器的仰视图；

图4为本发明涡发生器的结构示意图；

图5为图4中a-a向的剖视示意图；

图6为本发明涡发生器在流向方向上的速度分布图；

图7为本发明涡发生器在纵向截面上的流线图。

图中：1-翅片、2-换热管、3-涡发生器、4-迎风面、5-背风面、6-第一纵向涡、7-第二纵向涡。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明，而非对本发明的保护范围限制。需要理解的是在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”等仅用于简化文字描述以区别于类似的对象。

参阅图1及图2，本实施例中的一种具有沙丘形涡发生器的管翅式换热器，包括翅片1和贯穿于翅片1的多个换热管2。翅片1的表面抛光处理，以降低风阻，提高流经翅片1的空气流动速度。多个换热管2呈队列状均匀分布于翅片1上，相邻两列换热管2交错设置。使得任意两个队列中的三个换热管2呈三角形分布。可以将空气进行分流，均匀的流经两侧的换热管2表面，提高换热效果。换热管2垂直贯穿于翅片1，可以提高空气分流效率。当然在其他实施方式中，换热管2亦可倾斜贯穿于翅片1。本实施例中换热管2为圆形、方形或异形的换热管道，能够与空气充分接触，换热效果好。

本实施例中，翅片1的一个侧面上设有多个涡发生器3。多个涡发生器3亦呈队列状均匀分布于翅片1上，相邻两列涡发生器3交错设置。使得任意两个队列中的三个涡发生器3呈三角形分布。涡发生器3采用焊接、粘结或嵌入的方式安装于翅片1上。该涡发生器3的材料可采用换热器本身的材料，也可采用其他易于切割和安装的金属材料，其材料的耐温和导热性能应满足管翅式换热器工作条件的要求。当然在其他实施方式中，涡发生器3亦可以采用冲压的方式形成，与翅片1一体成型。

参阅图2及图3，每一队列中的涡发生器3与换热管2相互间隔设置，每一涡发生器3位于相邻的两个换热管2之间。每一涡发生器3的前端点位于其中一列的两个相邻换热管2的中间，其前端点分别与两个相邻换热管2中心的纵向间距为d1，其中一列上的两个相邻换热管2之间的纵向间距为s1，d1＝s1/2。每一涡发生器3的后端对应于相邻一列的并与其中一列上两个换热管2交错的换热管2，其前端点与相邻一列的换热管2中心的横向间距为d2，其中一列上的两个相邻换热管2与相邻一列的换热管2之间的横向间距为s2，d2＝s2。翅片1上的多个涡发生器3与多个换热管2均匀交错设置，可以将空气均匀的流经多个换热管2表面，提高换热效果。管翅式换热器工作时，空气流经换热管2外部，换热管2内部为冷却水。通过换热管2、翅片1、涡发生器3的导热和对流实现空气和冷却水之间的热量传递。每一涡发生器3的形状呈流线型的沙丘形状。该沙丘形涡发生器3具有典型的流线型特征，在达到同等换热条件下，具有较低的流动阻力，并能够有效提高空气侧换热性能。

参阅图4及图5，本实施例中，沙丘形状的涡发生器3在空间俯视方向上呈现出新月形的形状。从空间拓扑形态来看，该沙丘形状的涡发生器3具有迎风面4和背风面5。流经管翅式换热器的空气自迎风面4流向背风面5。迎风面4的倾角α在8°-30°之间，背风面5的倾角β在25°-50°之间。该新月形状的沙丘形涡发生器3进一步降低了空气的流动阻力。

本实施例中，翅片1的数量至少为两组，任意相邻的两组翅片1相互平行并构成上下设置关系的上翅片和下翅片。各组翅片1上的涡发生器3均位于同一侧面。空气流经涡发生器3迎风面时会在上、下翅片及迎风面4之间形成一个加速通道，经过加速后的空气流会对上翅片表面产生冲击，减薄了上翅片的流体边界层，增强了来流与边界层流体的掺混，强化了上翅片的换热效果。本发明中翅片1的数量大于或等于两组(即具有上下设置关系的上翅片和下翅片)，涡发生器3能够对上翅片产生强化换热的效果，进一步强化管翅式换热器的换热效果。本实施例中翅片1的数量为四组，相邻的两组翅片1之间的间距为h,涡发生器3的高度为h,h＜3h，可以保证涡发生器3对来流空气的加速效果。

参阅图6，该速度分布数据通过piv实验获取。从图6中可以看出在发生器最高点处来流开始加速，最高速度能达到主流速度的2.5倍(主流速度设为0.1)，可利用这种加速效应对上翅片流体边界层的扰动，增强来流与边界层流体的掺混，进一步强化上翅片的换热效果。

当然在其他实施方式中，翅片1的数量亦可以为一组，此结构的强化换热效果仅体现在安装涡发生器3的翅片1上。当然该结构亦能通过沙丘形涡发生器3降低空气的流动阻力，并能够有效提高空气侧换热性能。

本实施例中，当空气流经背风面5时，会产生具有很强三维性的流场，在前后压差的作用下，产生了一对与来流方向相同的逆时针方向纵向涡结构，这种纵向涡结构能够破坏充分发展的边界层，增强流体流动的混乱程度，可以大幅提高换热系数。另外，涡发生器3的两侧均具有沿风向延伸的侧翼，两侧翼自背风面5处沿风向下游延伸并构成翼角。当空气流经背风面5下游的翼角时，在翼角的下游处还可产生另外一对逆时针方向的纵向涡结构，进一步强化了主流与下翅片之间的相互作用，强化了换热性能。

参阅图7，该速度分布数据通过piv实验获取。从图7中可以看出在纵截面内涡发生器3流场中存在两对逆时针方向旋转的纵向涡，其中第一纵向涡6由流体流经涡发生器3时前后的压差生成，这种旋涡结构具有较大的尺度，能够破坏充分发展的边界层，增强流体流动的混乱程度，可以大幅提高换热系数。此外，在涡发生器3两侧的翼角与来流的相互作用下，还产生了另外一对旋转方向相反的第二纵向涡7，强化了主流与下翅片之间的相互作用，进一步提高了换热器性能。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。