一種換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器制造技術

本實用新型專利技術公開了一種換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器，其中該換熱管包括圓管(2)，在該圓管(2)上設置有前置隔板(1)和/或后置隔板(3)，以垂直于換熱管來流方向、且經過所述圓管(2)的中心軸線為參考界面將所述圓管(2)分為兩個區域，記這兩個區域中先與來流接觸的一個區域為前置區域，另一個區域即為后置區域，該前置隔板(1)位于圓管(2)的前置區域上，所述后置隔板(3)位于圓管(2)的后置區域上。本實用新型專利技術通過對傳統換熱管進行設置和改進前置隔板和后置隔板等關鍵的結構，能夠有效解決管殼式熱交換器中由于流體流速提高引起的換熱管振動和換熱管所受阻力增加的問題，實現管殼式熱交換器的降阻減振。

【技術實現步驟摘要】
一種換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器
本技術屬于工程熱物理熱交換器領域，更具體地，涉及一種換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器，該換熱管是可應用于管殼式熱交換器的換熱管，改善換熱管繞流尾流流場，降低換熱管所受阻力，減少因為渦脫落帶來的換熱管振動，減小渦脫落頻率，可以更合理的增加流體流速，提高對流換熱系數，強化換熱器換熱。
技術介紹
流體橫掠圓柱時，在圓柱背面兩側將產生周期性交替脫落的反對稱漩渦尾流，稱為卡門渦街。圓柱表面受力的振蕩與尾跡中的渦脫落現象密切相關，漩渦的交替產生和脫落使圓柱的兩側產生垂直于流向周期變化的激振力，導致圓柱發生振動。近年來隨著能源與動力工程領域、航空航天領域和核工程領域的飛速發展，對鈍體誘導振動的控制問題引起了廣泛關注并提出了更高的要求。在許多與流體有關的機械工程中，誘導振動是一個涉及安全性的重大問題。管殼式熱交換器中一旦換熱管發生振動，就可能導致換熱管與換熱管、換熱管與折流板之間的碰撞、磨損等問題。如何降低振動在換熱器向大容量、高參數化發展，同時為了強化傳熱和減少結垢，流體流速普遍提高的現在，顯得尤其重要。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本技術的目的在于提供一種換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器，其中通過對換熱管中關鍵的前置和/或后置隔板的結構(尤其是形狀參數)及設置方式等進行改進，與現有技術相比能夠有效解決管殼式熱交換器中由于流體流速提高引起的換熱管振動和換熱管所受阻力增加的問題，實現管殼式熱交換器的降阻減振；該換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器非常適用于高流速的流體，適用的流速范圍為0.5m/s≤v≤5m/s，適用的雷諾數Re(Reynolds數:Re＝U×D/υ,U為來流速度，D為D為換熱管的直徑(即外徑)，υ為流體的運動粘性系數。)范圍為103≤Re≤105。為實現上述目的，按照本技術的一個方面，提供了一種換熱管，其特征在于，該換熱管包括圓管(2)，在該圓管(2)上設置有前置隔板(1)和/或后置隔板(3)，其中，以垂直于換熱管來流方向、且經過所述圓管(2)的中心軸線為參考界面將所述圓管(2)分為兩個區域，記這兩個區域中先與來流接觸的一個區域為前置區域，另一個區域即為后置區域，則所述前置隔板(1)位于所述圓管(2)的所述前置區域上，并且所述前置隔板(1)所在平面與所述來流方向相平行；所述后置隔板(3)位于所述圓管(2)的所述后置區域上，并且所述后置隔板(3)所在平面與所述來流方向相平行；記該圓管(2)的外徑為D，并且，記所述前置隔板(3)和后置隔板(1)在垂直于所述圓管(2)中心軸線的平面上的投影長度均為h，則所述h滿足：0≤h≤0.6×D；作為本技術的進一步優選，所述前置隔板(1)為前緣形狀為波浪狀、鋸齒狀或梯形形狀的平板；所述后置隔板(3)為尾緣形狀為波浪狀、鋸齒狀或梯形形狀的平板。作為本技術的進一步優選，所述前置隔板(1)為端面截面形狀為矩形、三角形、梯形或圓弧形的平板；所述后置隔板(3)為端面截面形狀為矩形、三角形、梯形或圓弧形的的平板。作為本技術的另外一種布置方案，所述前置隔板(1)與所述圓管(2)之間的接觸線，距經過所述圓管(2)的中心軸線、且與所述來流方向相平行的平面的距離q1滿足0≤q1≤0.2×D；所述后置隔板(3)與所述圓管(2)之間的接觸線，距經過所述圓管(2)的中心軸線、且與所述來流方向相平行的平面的距離q2滿足0≤q2≤0.2×D。按照本技術的另一方面，本技術提供了一種采用上述換熱管的管殼式熱交換器，其特征在于，該管殼式熱交換器包括上述換熱管。通過本技術所構思的以上技術方案，與現有技術相比，可改善換熱管繞流尾流流場，降低換熱管所受阻力，減少因為渦脫落帶來的換熱管振動，減小渦脫落頻率，可以更合理的增加流體流速，提高對流換熱系數，強化換熱器換熱。流體流經前置隔板時產生的湍流邊界層會加快圓柱下游分離剪切層的轉捩，流體流經圓柱時脫落渦的分離點向下游移動，導致尾跡區的寬度變窄，從而使圓柱阻力下降。尤其是通過后置隔板的合理設置，本技術中的換熱管可將換熱管尾流區剪切層相互作用推遲至下游，并且改變換熱管壁面的靜壓分布，有效的降低了升力系數波動幅值，可高效的降低換熱管的誘導振動。隔板的長度參數h推薦在0到0.6×D之間選取，因為當隔板長度參數h較小時，后置隔板既可以起到阻斷尾流區剪切層相互作用,將其推遲至下游,以減小換熱管表面上的壓力脈動,實現降阻減振的目的，又能避免當隔板長度參數h過大，隔板長度過長而導致換熱管尾緣脫落渦沖擊在隔板上，增大了換熱管升力系數的振動幅值，這種對于降阻減振不利的情況的發生。對于在換熱管加后置隔板目前仍然鮮有報道，原因之一是雖然在風洞實驗中可以測量出加后置隔板的換熱管的壁面的壓力分布，但是由于在高雷諾數下因為渦脫落引起的升力系數波動頻率較快，實驗儀器較難捕捉，故實驗很難對換熱管加后置隔板的減振效果進行研究。而本技術則是通過三維大渦數值模擬準確模擬高雷諾數下流體流動狀態，使得換熱管加后置隔板的降阻減振效果可以得以準確預測并進行研究。具體說來，本技術能夠取得以下有益效果：1.本技術的前置隔板和后置隔板的形狀的設計基準采用矩形平板(或是具有波浪狀、鋸齒狀、梯形狀等不同形式的前緣或尾緣形狀的平板，本技術中的隔板的長度參數h(當隔板為具有有波浪狀、鋸齒狀、梯形狀等不同形式的前緣或尾緣形狀的平板時，h表示隔板頂端在垂直于圓管中心軸線的平面上的投影長度)在0到0.6×D之間，根據相應的模擬計算驗證可實現有效的降低換熱管所受阻力和升力，實現更好的降阻減振效果，使換熱管能在更高的流速下使用，流速的增加能更好的強化換熱，所以具有很好的應用價值。本技術可根據換熱管的直徑D的大小對隔板的長度參數h作出相應的放大或縮小，使得所設計的后置短隔板與換熱管更為匹配。附圖說明圖1是本技術中帶前置隔板和后置隔板的換熱管整體結構示意圖；圖2是帶前置隔板和后置隔板的換熱管尺寸示意圖；圖中D為換熱管的直徑(即外徑)，前置隔板(1)和后置隔板(3)的長度相等為h，t為隔板的厚度；圖3為只帶前置隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；圖4為只帶后置隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；圖5為前后都帶隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；圖6是圖1中本技術換熱管帶不同形式的前緣和/或尾緣隔板的結構示意圖；圖7是圖1中本技術換熱管帶不同端面截面形狀的隔板結構示意圖；圖8是圖1中本技術換熱管的隔板位置平移后的結構示意圖；圖9是換熱管時均阻力系數圖；圖10是換熱管的升力系數頻幅分析曲線圖；其中，圖10A對應Re＝4×103，圖10B對應Re＝2×104，圖10C對應Re＝3.6×104；圖中各標記的含義如下：1為前置隔板，2為圓管，3為后置隔板，4為管殼式換熱器中的折流板。具體實施方式為了使本技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本技術，并不用于限定本技術。此外，下面所描述的本技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。如圖1與本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種換熱管，其特征在于，該換熱管包括圓管(2)，在該圓管(2)上設置有前置隔板(1)和/或后置隔板(3)，其中，以垂直于換熱管來流方向、且經過所述圓管(2)的中心軸線為參考界面將所述圓管(2)分為兩個區域，記這兩個區域中先與來流接觸的一個區域為前置區域，另一個區域即為后置區域，則所述前置隔板(1)位于所述圓管(2)的所述前置區域上，并且所述前置隔板(1)所在平面與所述來流方向相平行；所述后置隔板(3)位于所述圓管(2)的所述后置區域上，并且所述后置隔板(3)所在平面與所述來流方向相平行；記該圓管(2)的外徑為D，并且，記所述前置隔板(1)和后置隔板(3)在垂直于所述圓管(2)中心軸線的平面上的投影長度均為h，則所述h滿足：0≤h≤0.6×D。

【技術特征摘要】
1.一種換熱管，其特征在于，該換熱管包括圓管(2)，在該圓管(2)上設置有前置隔板(1)和/或后置隔板(3)，其中，以垂直于換熱管來流方向、且經過所述圓管(2)的中心軸線為參考界面將所述圓管(2)分為兩個區域，記這兩個區域中先與來流接觸的一個區域為前置區域，另一個區域即為后置區域，則所述前置隔板(1)位于所述圓管(2)的所述前置區域上，并且所述前置隔板(1)所在平面與所述來流方向相平行；所述后置隔板(3)位于所述圓管(2)的所述后置區域上，并且所述后置隔板(3)所在平面與所述來流方向相平行；記該圓管(2)的外徑為D，并且，記所述前置隔板(1)和后置隔板(3)在垂直于所述圓管(2)中心軸線的平面上的投影長度均為h，則所述h滿足：0≤h≤0.6×D。2.如權利要求1所述換熱管，其特征在于，所述前置隔板(1)為前緣形狀為...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王嘉冰，孫明漢，楊昆，焦碩博，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：新型
國別省市：湖北,42