一种用于余热回收的换热器复合传热管的制作方法

本发明涉及余热回收过程中的换热器强化传热技术，尤其涉及一种用于余热回收的换热器复合传热管。

背景技术：

换热器作为冷热流体热交换的载体，在许多领域有重要应用，如石油化工、动力工程、新能源、核电站、金属冶炼及余热回收领域。在石油化工领域，换热器常占设备投资的20％-40％。因此，换热器的高效使用对于节能尤其重要。传统的光滑管换热器虽然结构简单，有较多标准可以参考，但是传热效率较低，在许多工艺上都无法满足换热要求。

为了提高传热效率，现有技术中通常采用传热强化技术。传热强化技术按其是否需要外功，可以分为主动强化技术与被动强化技术，其中被动强化技术由于不需要外功，实施方式简单，投资成本低，而更为广泛应用。被动强化技术包括扰流物、扩展表面、添加剂、肋管、异型管、插入物、置换器等技术，按照其强化传热机理主要可以分为横向涡强化机理和纵向涡强化机理，前者为强化元件通过诱导横向涡流，产生流动分离和再附，提高了近壁区湍流度，减薄了边界层，强化了传热速率；后者为强化元件通过诱导纵向涡流，在主流区及近壁区置换流体，加强了混合程度，削弱了边界层，提高了传热速率。但单一采用横向涡流的强化元件，对主流区的混合能力有限；单一采用纵向涡流的强化元件，对近壁区的扰动能力有限，这两者的单一使用在传热速率的提升上都存在一定限制，不利于在合理压降下发挥出更佳的传热速率和传热综合性能。

综上，在余热回收领域，特别是烟气余热回收领域，采用传统光滑管存在传热效率低、容易结垢、热力学效率不高等不足。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于余热回收的换热器复合传热管，该复合传热管通过设置环形凹槽及多重螺旋扰流物，诱导管内流体循环的产生横向涡及纵向涡，使流体沿程不断被扰动，诱导形成多个接力的高强度湍动，不断冲刷管壁，减薄了边界层，提高了管壁的热通量，显著提升了传热速率。且通过该复合传热管的强化传热和对阻力的有效调控，可以极大的提高管内的传热综合性能和热力学效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于余热回收的换热器复合传热管，该换热器复合传热管包括管体及固定于所述管体内的多个多重螺旋扰流物；

所述管体的管壁上设置有多个沿管体轴向间隔分布的向管体内部凹陷的环形凹槽；

所述多个多重螺旋扰流物在所述管体内沿流体流动方向间隔分布。

作为优选，所述环形凹槽在所述管壁上等间隔设置，所述多重螺旋扰流物在所述管体内等间隔设置。

作为优选，所述多重螺旋扰流物包括多个在管体同一径向截面上并行布置的螺旋扰流元件。

作为优选，所述螺旋扰流元件的节距长度y与管体直径d的关系为：y/d＝0.138～1.379。

作为优选，每个多重螺旋扰流物内的各个螺旋扰流元件之间采用点焊固定。

作为优选，每个多重螺旋扰流物包括2-4个螺旋扰流元件。

作为优选，多个多重螺旋扰流物之间通过金属细杆固定，各个多重螺旋扰流物通过金属细杆固定成型后，再固定于管体内。

作为优选，相邻两个多重螺旋扰流物的间隔长度s及单个多重螺旋扰流物的长度l均依据管体直径d确定，其中，s与d的关系为：s/d＝0～18.103，l/d＝3.448～17.241。

作为优选，环形凹槽的深度h及相邻两个环形凹槽之间的距离p依据管体直径d确定，其中，h/d＝0.017～0.069，p/d＝0.172～1.724。

作为优选，所述环形凹槽的纵向截面为半圆形、椭圆形、三角形或梯形。

作为优选，所述环形凹槽径向截面的径向截面与所述管体中心轴之间的倾角a＝15°～90°。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明通过在管体管壁上设置多个向管体内部凹陷的环形凹槽来诱导管内流体产生多个横向涡，通过管体内间隔设置的多个多重螺旋扰流物来诱导管内流体产生多个连程的纵向涡，通过横向涡与纵向涡之间的相互作用，有效的均化了流场热量，提高了整个流场的平均湍流度；同时由于流体的惯性，这种高强度的湍流扰动在多重螺旋扰流物的下游可以维持一段较长的距离，形成了沿流动方向多个高强度湍流度的沿程接力，提高了近壁面的温度梯度，进而提高了传热速率，有利于在相对较低的阻力下，获得较佳的传热综合性能。

2)采用本发明所述复合强化传热元件，相对光滑管，传热速率能得到大幅度提升，传热综合性能能够得到明显改善；相对单一的凹槽管，由于纵向涡的大尺度混合，其流场混合能力更强，传热速率更大；相对单一的螺旋扰流物，由于多个螺旋扰流物的协同，能够在流场内产生多个纵向涡流，螺旋扰流物个数越多，纵向涡流个数越多，强度也越大，再加上横向涡的协同，传热速率更高；由于可等间距布置，使得阻力可以调控，因此还具有传热综合性能更高的特点。另外，相对光滑管、单一的凹槽管和单一的螺旋扰流物，由于传热性能的大幅度增加，该复合强化传热元件可以降低传热不可逆性熵增，在流阻熵增增幅不大的情况下，降低总熵增，从而提升热力学效率。

3)本发明加工方便，安装容易，可以用于新型换热器的设计及旧型换热器的升级，同时由于其在产生了多个涡流，还可以延缓气体中尘埃或者杂质的管内附着和结垢。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例一中换热管管体外部结构示意图；

图2是本发明实施例一中换热器复合换热管的内部结构示意图(环形凹槽未示出)；

图3是本发明实施例一中换热器复合换热管的管体剖视图(环形凹槽结构未示出)；

图4是本发明实施例一中换热器复合换热管局部管体切除的侧视图；

图5是本发明实施例二中换热器复合换热管的内部结构示意图；

图6是本发明实施例二中换热器复合换热管局部管体切除的侧视图；

图7是本发明实施例三中换热器复合换热管外部结构示意图。

其中，1、复合传热管；11、管体；12、多重螺旋扰流物；111、环形凹槽；121、螺旋扰流元件。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

背景技术中提到，传统光滑管存在传热效率低、容易结垢、热力学效率不高等不足。为了解决这些技术问题，下述依据本发明的技术方案举例说明本发明的其中几种实施方式：

如图1所示(需说明：为保证附图的清晰度的同时，尽可能的展现部件结构，下述不同附图的缩放比例不同)，一种用于余热回收的换热器复合传热管1，包括管体11及固定于管体内的多个多重螺旋扰流物12(如图3所示)；如图1、2所示，管体1的管壁上设置多个沿管体轴向间隔分布的向管体内部凹陷的环形凹槽111，如图4所示，多个多重螺旋扰流物12在管体1内沿流体流动方向间隔分布。

其中，管体11的制作方式为：通过轧制的方式在光管外表面形成环形凹槽111，而环形凹槽111的纵截面可以是垂直于管体1轴向的(参见实施例一及实施例二)，也可以与管体1轴向具有一定的夹角(参见实施例三)。

较为优选的情况是，环形凹槽111在管体11的管壁上等间隔设置，多重螺旋扰流物12在管体11内等间隔设置。

多重螺旋扰流物12一般由2-4个螺旋扰流元件121构成，构成同一多重螺旋扰流物12的螺旋扰流元件121的同一端在管体11的垂直于轴向的某一径向截面上并行布置。

基于上述，该换热器复合传热管1的一般加工方法为：将构成同一个多重螺旋扰流物12的各个螺旋扰流元件121通过点焊的方式固定为一体，再将各个多重螺旋扰流物12通过金属细杆(图中未示出)连接固定，构成等间隔布局，最后将固定好的多个多重螺旋扰流物12的通过金属细杆固定于管体11内。

针对上述的总的技术方案，该换热器复合传热管的具体参数为：

螺旋扰流元件121的节距长度y与管体直径d的关系为：y/d＝0.138～1.379。

相邻两个多重螺旋扰流物12的间隔长度s及单个多重螺旋扰流物12的长度l均依据管体11的直径d确定，其中，s与d的关系为：s/d＝0～18.103，l/d＝3.448～17.241。在此基础上，单个螺旋扰流元件121的螺旋节距的长度y与管体1的直径d的关系为：y/d＝0.138～1.379。

环形凹槽111的深度h及相邻两个环形凹槽111之间的距离p依据管体1的直径d确定，其中，h/d＝0.017～0.069，p/d＝0.172～1.724。

环形凹槽111的纵向截面为半圆形、椭圆形、三角形或梯形，当然，其目的在于诱导管内流体产生横向涡，在此基础上，本领域技术人员对该结构作出的简单替换，理应落入本发明的保护范围内。

下面结合上述实施方案的结构，列举3组复合传热管的结构参数组合方案，用于对本发明进一步进行描述，其中每个实施方案均需结合上述结构，并且本发明的实施方式不限于此，凡是对本发明实质做简单的修改或改变，都属于本发明技术方案的范围。

另外，为了评价各个实施例的性能，定义传热综合性能为：

pec＝(nu/nu0)/(f/f0)^(1/3)，

其中，pec为传热综合性能，即性能评价标准(performanceevaluationcriterion，pec)，nu0、nu分别代表光管和复合传热管的无量纲传热速率，即努赛尔数，f0、f分别代表光管和复合传热管的无量纲压降，即摩擦因子，同功耗下，若pec大于1，则说明传热综合性能相对光管得到提高，反之则没有提高。同功耗下，强化管的pec越大，其传热综合性能越高。

实施例一

如附图1所示，其具体参数为：

环形凹槽111的深度比为h/d＝0.034，相邻两个环形凹槽111的节距比为p/d＝1.103，环形凹槽111的宽度比为t/d＝0.172，本实施例中，环形凹槽111的纵截面与管体轴向相垂直。每个多重螺旋扰流物12内螺旋扰流元件121的个数n为2个，相邻两个多重螺旋扰流物12的间距比为s/d＝18.103，每个多重螺旋扰流物12(或单个螺旋扰流元件121)的长度比l/d＝10.345；单个螺旋扰流元件121的线径比e/d＝0.052，宽度比w/d＝0.379，节距长度比y/d＝0.2。

其安装过程为：首先将两个螺旋扰流元件121并行排列，并通过点焊固定形成多重螺旋扰流物12，然后按照上述的相邻两个多重螺旋扰流物12的间距比将相邻两个多重螺旋扰流物12通过金属细杆固定，最后再将固定好的多重螺旋扰流物插12入管体11内，同样采用焊接的方法进行固定，即得复合传热管1。

使用时，参见图3，流体从复合传热管1的一端进入，在环形凹槽111和多重螺旋扰流物12的诱导下，产生沿流动法向和纵向方向的横向涡和纵向涡，涡流冲刷管壁，提高了流场内的整体湍动度，带动高温流体与低温流体的掺混，减小了管内速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角，体积加权平均协同角低于光管中两者接近90°的夹角，也低于单一凹槽管和螺旋扰流物的夹角，提高了温度场与速度场的协同。相对传统的光管，管内流体均温和热传导能力显著提高，且边界层更薄。此外，由于螺旋扰流物12的周期性，涡流反复形成，不易衰减，以相对较低的阻力在每个多重螺旋扰流物12中间形成协同接力，从而获得较佳的传热速率。在雷诺数4000～16000范围内，用于气体换热时，与传统的光滑管相比，传热速率提高60％以上，总熵增降低30％以上，同功耗下，最大传热综合性达到pec＞1.08。

实施例二

如附图5、图6所示，环形凹槽111的深度比为h/d＝0.034，相邻两个环形凹槽111间的节距比为p/d＝1.103，环形凹槽宽度比t/d＝0.172；每个多重螺旋扰流物12内具有螺旋扰流元件121的数量n为3个，相邻两个多重螺旋扰流物12之间的间距比为s/d＝3.879；单个螺旋扰流元件121的长度比l/d＝10.345，线径比e/d＝0.052，宽度比w/d＝0.379，节距长度比y/d＝0.2(上述参数在实施例二中的标记位置可参见图1)。在雷诺数4000～16000范围内，用于气体换热时，与传统的光滑管相比，本实施例的最大传热速率提高1倍以上。其应用方法同实施例1。

实施例三

如图7所示，实施例与实施例1不同的地方在于环形凹槽111的径向截面与管体11的中心轴之间夹角为a，该夹角a＝45°，其应用方法同实施例1。本实施例意在说明，环形凹槽111的径向截面并不限定为垂直于管体11的中心轴，为实现横向涡与纵向涡的强度平衡，其也可以与管体的中心轴具有一定的夹角。

综上所述，本发明的技术方案中，通过在管体管壁上设置环形凹槽，使管内流体流动分离与再附，在流场诱导产生横向涡；利用多重螺旋扰流物产生纵向涡和湍流扰动；在两者的双重作用下，提高涡流的强度和影响区域，在主流核心区与壁面区大幅度提高流体交换能力，加强了流体质点动量和热量的传递，提高了流场与温度场的协同程度，提升了管壁热通量。当然，上述技术方案不仅适用于不但适用于圆柱状管体，也适用于方状管体。由于该复合传热管对管内流体的阻挡，可以大幅度提高局部流速，增加流体流动路径或停留时间，提高局部努塞尔数，在较小的流速下，就可以获得较高的湍流度，因此该复合传热管不但适于充分发展的高雷诺数流动，也适于未充分发展的中低雷诺数流动。通过在流动方向对管体和多重螺旋扰流物结构参数的控制，主动调控阻力，从而既保证大的传热速率，又能付出相对较小的流体功耗，在总体上可以获得低阻高效的强化传热综合性能。

上述仅为本发明的几种实施方式而已，本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

此外，需要说明的是：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。