CN102679789A

CN102679789A - 一种螺旋波纹管

Info

Publication number: CN102679789A
Application number: CN2012101485706A
Authority: CN
Inventors: 杨金国; 刘佳驹; 刘伟; 范爱武; 刘志春; 杨昆; 黄晓明; 方海生
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种螺旋波纹管，包括中空管体和螺旋头结构，螺旋头结构连接有螺旋状通道，用于在流体经过时在中空管体内形成旋流，螺旋状通道的深度为1～500mm,螺旋状通道的数量与螺旋头结构的数量相等,螺旋头结构的数量为1～4个,中空管体的内外表面上的波纹为节距、波形相同，并连续走向的螺旋形,中空管体的内径为1～1000mm，壁厚为0.1～20mm,中空管体的内外表面上波纹的节距为10～500mm。本发明通过设置具有一定深度的螺旋状通道迫使管内流体整体向前旋流，改变速度场与温度场之间协同关系，有效抑制管内流动局部阻力的产生，在沿程阻力增加较小的情况下，实现强化传热的效果。

Description

一种螺旋波纹管

技术领域

本发明属于传热装置领域，更具体地，涉及一种螺旋波纹管。

背景技术

螺旋波纹管是一种优良的高效异型强化换热管件，对流体的换热过程有着显著的强化作用，并广泛用于换热器制造。

然而，传统的螺旋波纹管通过管壁的螺旋槽道结构迫使管内流体产生强烈的二次流，以减薄边界层，强化换热，螺旋波纹管在换热得到强化的同时，也产生了较大的局部阻力，综合换热效果不够显著。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种螺旋波纹管，旨在解决现有螺旋波纹管管内流动局部阻力增加过大、综合换热性能不够突出的问题，有效抑制管内流动局部阻力的产生，提高综合换热性能，并实现螺旋波纹管换热的双面强化效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种螺旋波纹管，包括中空管体和螺旋头结构，螺旋头结构连接有螺旋状通道，用于在流体经过时在中空管体内形成旋流，螺旋状通道的深度为1～500mm。

螺旋状通道的数量与螺旋头结构的数量相等。

螺旋头结构的数量为1～4个。

中空管体的内外表面上的波纹为节距、波形相同，并连续走向的螺旋形。

中空管体的内径为1～1000mm，壁厚为0.1～20mm。

中空管体的内外表面上波纹的节距为10～500mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）螺旋波纹管横截面面积始终相等，可减小管内流动局部阻力的产生；

（2）螺旋波纹管管壁处的具有一定深度的螺旋状通道，可组织管内流体整体向前旋流，从而增强流体的径向混合，减小速度矢量与温度梯度矢量之间的夹角，提高换热效果，同时管内整体旋流不产生强烈的二次流，局部阻力很小，沿程阻力增加较少，综合换热效果提高突出；

（3）螺旋波纹管管内整体旋流，可有效抑制管壁结垢的产生，提高换热器的使用寿命及安全性能，特别适用于采用高粘度、不洁净及易结焦换热工质的场合；

（4）螺旋状通道起到对管外流体的扰流作用，从而实现螺旋波纹管换热的双面强化效果。

附图说明

图1为本发明螺旋波纹管的结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图2的左视图。

图4为本发明不同流场雷诺数下努谢尔数的变化曲线图。

图5为本发明不同流场雷诺数下摩擦阻力系数的变化曲线图。

图6为本发明不同流场雷诺数下性能评价系数的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的螺旋波纹管包括中空管体1和螺旋头结构2，螺旋头结构连接有螺旋状通道3，用于在流体经过时在中空管体1内形成旋流，螺旋状通道3的深度H为1～500mm。

螺旋状通道3的数量与螺旋头结构2的数量相等。在本实施方式中，螺旋头结构2的数量为1～4个。

中空管体1的内外表面上的波纹为节距、波形相同，并连续走向的螺旋形。中空管体1的内径d为1～1000mm，壁厚为0.1～20mm。

中空管体1的内外表面上波纹的节距为10～500mm。

以下对螺旋波纹管进行数值模拟计算，给定条件如下：

螺旋状通道的深度为1～5mm，螺旋波纹管的长度为600mm，波纹的节距为30mm，螺旋头结构的数量为4个，流体为水，雷诺数Re的范围为300～1800，边界条件为：给定壁面热流密度及速度u，出口为出流条件，壁面热流密度q＝10000W/m²。

流场雷诺数Re由下式给定：

Re = \frac{u \times d_{m}}{&upsi;}

式中,υ为流体运动黏度，d_m为螺旋波纹管内径的当量直径，并定义为

d_{m} = \frac{4 A}{P}

式中，A为螺旋波纹管内径的截面面积，P为螺旋波纹管内径的截面湿润周长。

为了分析管内的换热和阻力特性，阻力系数f定义为：

f = \frac{2 d_{m} ΔP}{ρL V_{m}^{2}}

式中，ΔP为螺旋波纹管的进出口压降，ρ为流体密度，L为螺旋波纹管的长度，V_m为流体平均速度。

对流换热系数h和努谢尔数Nu定义为：

h = \frac{q}{T_{w} - T_{f}}

Nu = \frac{{hd}_{m}}{λ}

式中，T_w为壁面温度，T_f为流体平均温度，λ为流体导热系数。

换热与阻力的性能评价系数（Performance Evaluation Criterion,简称PEC)定义为：

PEC = \frac{Nu / {Nu}_{0}}{{(f / f_{0})}^{1 / 3}}

上式中，Nu₀表示与螺旋波纹管当量直径及换热面积相等的光管的努谢尔数，f₀为光管阻力系数。

螺旋波纹管换热与阻力计算结果如图4～图6所示。由图4、图5可见，3mm螺旋波纹管Nu数可达到1mm螺旋波纹管Nu数1.5倍以上，5mm螺旋波纹管Nu数可达1mm螺旋波纹管Nu数2倍以上；而摩擦阻力系数f深槽螺旋管与浅槽螺旋管相比增幅不大。由图6可见，深槽螺旋波纹管综合换热性能评价系数PEC值最高可达2.4左右。

不同螺旋状通道的深度对应的PEC值如下表所示，当螺旋状通道的深度较浅时

管内旋流不易形成；当螺旋状通道的深度过深时

管内流体流动阻力过大，综合换热性能皆不突出，当螺旋状通道的深度与中空管内径的比值介于0.1与1之间时，可见综合换热性能较为突出，这是由于管内形成了明显的纵向旋流。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种螺旋波纹管，其特征在于，包括中空管体和螺旋头结构，所述螺旋头结构连接有螺旋状通道，用于在流体经过时在所述中空管体内形成旋流，所述螺旋状通道的深度为1～500mm。

2.根据权利要求1所述的螺旋波纹管，其特征在于，所述螺旋状通道的数量与所述螺旋头结构的数量相等。

3.根据权利要求2所述的螺旋波纹管，其特征在于，所述螺旋头结构的数量为1～4个。

4.根据权利要求1所述的螺旋波纹管，其特征在于，所述中空管体的内外表面上的波纹为节距、波形相同，并连续走向的螺旋形。

5.根据权利要求4所述的螺旋波纹管，其特征在于，所述中空管体的内径为1～1000mm，壁厚为0.1～20mm。

6.根据权利要求4所述的螺旋波纹管，其特征在于，所述中空管体的内外表面上波纹的节距为10～500mm。