斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件的製作方法
2023-04-30 09:18:21
專利名稱：斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件的製作方法
技術領域：
本發明屬於換熱器傳熱零部件領域，特別涉及一種斜截柱面翼式渦發生器強 化傳熱元件。具體說是將翼型(三角翼、矩形翼、梯形翼)渦發生器立面彎曲成 半圓柱面或半橢圓柱面形式，以一定迎流攻角和陣列方式布置在翅片管或板翅式 換熱器翅片上或其它通道流換熱器板面上，從而誘導端部縱向渦旋和根部馬蹄渦 系耦合減薄或破壞緊貼壁面的邊界層或加大紊流強度實現被動式強化換熱，提高 換熱器效能。
背景技術：
氣一液或氣一氣(汽)熱交換設備廣泛地應用於能源、石化、製冷、建築、 冶金、食品加工、航空及其它一些工業的動力過程系統，並在其中佔有相當重要 的投資份額。如何改進和優化換熱器設計，提高傳熱性能，以降低其動力和金屬 消耗、節省能源和空間、成為現代工業發展過程中必須解決的課題。近年來，在 傳熱強化技術的推動下，湧現出各種設計新穎、具有高性能換熱表面的緊湊式熱 交換器，開發和研究所關注的焦點是提高單位面積的傳熱速率和降低摩擦阻力。
在氣體流動熱交換器內，摩擦阻力的限制迫使設計者選擇較低的質量流速， 氣體的低質量流速和低導熱係數(低於絕大多數液體)導致單位傳熱表面的低傳 熱速率；對於氣一液熱交換器，氣體側的換熱係數遠小於液體側的換熱係數(空 氣側約為水側的1/70 1/40)，空氣側的熱阻通常遠遠超過壁面熱阻和液側熱阻， 而成為所謂傳熱過程的控制熱阻，因此換熱器的性能往往受限於氣側的換熱，改 善氣側換熱是解決問題的關鍵所在。
強化氣側換熱的方法從原理上可以有提高工質流速、消除流體流動時出現的 旋渦死滯區、增加流體的擾動與混合、破壞流體邊界層或層流底層的發展、改變 換熱面表面狀況等。作為無相變的單相流體，氣側熱阻主要在邊界層或層流底層， 設法減薄邊界層或層流底層的厚度是有效的方式。按照所採用的強化措施中是否 需要外界提供能量可分為主動式和被動式。主動式需要利用外部能量來達到強化傳熱的目的，它包括機械手段、表面振動、流體振動、電場、磁場和噴射衝擊等。
被動式強化傳熱技術不需要直接使用外界動力，包括採用處理表面、粗糙表 面、擴展表面、擾流裝置、旋渦流裝置、螺旋管和添加劑等。
以上所列是強化氣側傳熱的常用手段。雖方法繁多，但大多強化傳熱方法的 共同點在於通過擾動以減薄或破壞緊貼壁面的邊界層或加大紊流強度。誘導渦旋 強化換熱是一種被動的、有目的的依靠產生二次流來強化傳熱的方法， 一種較為
常見的方法是利用渦發生器(Vortex Generator,以下簡稱VG)，該方法因其經濟 實用近年來受到越來越多的關注。由於縱向渦旋在強化傳熱方面的積極效果，縱 向渦發生器成為人們研究的焦點。主要以翼型、柱型縱向渦發生器為主。
傳統的翼型渦發生器如三角翼、矩形翼、梯形翼由於產生較強的端部縱向渦 旋而具有較強的強化換熱效果，但由於摩擦和形狀阻力較大，導致流動壓降也比 較大；柱型渦發生器(如圓柱、橢圓柱)根部產生馬蹄渦系，雖形狀阻力小，但 強化換熱效果差些。申請人以前曾提出一種斜截半橢圓柱體渦流發生器，在其端 部產生端部縱向渦，在根部形成馬蹄渦系。兩種渦簇的共同作用使強化傳熱效果 明顯增強，同時其流線型柱面使形狀阻力大為減小。但由於加工難度較大，耗材 和製造成本較大。本發明提出的斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件解決了這一 問題，更加實用可靠，對於提高換熱器效能、節能節材有重要的意義。
發明內容
本發明的目的是斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件，其特徵在於，將翼型 渦發生器立面彎曲成半圓柱面或半橢圓柱面形式，以迎流攻角々和陣列方式布置 在翅片管或板翅式換熱器翅片上或通道流換熱器板面上，從而誘導端部縱向渦旋 和根部馬蹄渦系耦合減薄、或破壞緊貼壁面的邊界層、或加大紊流強度實現被動 式強化換熱，提高換熱器效能；所述翼型為矩形翼、梯形翼或三角翼中的一種。
本發明的有益效果是本發明的斜截柱面翼式渦發生器不僅在根部產生了持 久的三維馬蹄渦系，並且由於其斜邊的存在而產生較強端部縱向渦，消除了翼後 回流區。端部縱向渦和馬蹄渦系的這種綜合作用，不僅強度大而且比較持久，強烈地衝巻壁面，對邊界層層流底層起到擾動和破壞作用，使得流體和壁面之間的 對流換熱有效增強。另外，重要的是由於其流線型表面，使得形狀阻力減小，從 而降低了流動壓力損失，減少流體輸送能耗。此種渦流發生器可有金屬或其它易 彎曲成型材料加工，具有製造簡單，安裝方便的特點。
圖1為斜截柱面翼式渦發生器外形和結構示意圖，其中圖l(a)為正視圖； 圖l(b)為側視圖；圖l(C)為俯視圖。
圖2為斜截柱面翼式渦發生器在換熱器翅片布置示意圖。
具體實施例方式
本發明提供一種強化換熱效果好、流動阻力損失小、加工製造簡單、安裝方 便的斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件。所述斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱
元件，是將矩形翼以一立邊頂部為始向另一立邊依cc角斜切而成梯形翼或三角翼
(如圖l(a)所示)，再將其立面以a/b曲率彎製成半圓柱面或半橢圓柱面形式； 或先將矩形翼立面以a/b曲率彎製成半圓柱面或半橢圓柱面形式，再自一立邊頂 部向另一立邊依cc角斜切而成(如圖l(b)、圖l(c)所示)。矩形翼的長、高、厚 度尺寸或比例以換熱器形式和流道尺寸相應設計要求而定；斜切角Ot在0"至對角 線與水平線夾角之間變化；立面構成不同曲率的半橢圓柱面或半圓柱面，a/b在 0-1之間變化，a/b=0時半橢圓柱面即演變成平面，a/b二l時半橢圓柱面即演變成 半圓柱面；矩形翼的長、高、厚度尺寸或比例以換熱器形式和流道尺寸相應設計 要求而定如圖1;
所述渦發生器材料可採用但不局限於換熱器本身材料或其它易切割、彎曲安 裝的材料(包括金屬)。其材料耐溫及其它性質應滿足換熱器允許工作條件要求。
所述渦發生器在換熱器板、翅面或通道流中的安裝方式可採用但不局限於焊 接、粘接、鉚接、嵌入或衝壓等方式。
所述渦發生器在換熱器板、翅面或通道流中的布置方式依換熱器形式、結構 及設計要求而定，可以但不局限於成對、多排、多歹U;順排、順列或錯排、錯列； 其前後左右相互間距以及在換熱器板、翅面或通道流中的相對位置依換熱器、運行條件等設計要求而定。其迎流攻角^可以在0°-90°範圍內變化(如圖2所示)， 但不局限於此範圍。
權利要求
1. 斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件，其特徵在於，將翼型渦發生器立面彎曲成半圓柱面或半橢圓柱面形式，以迎流攻角β和陣列方式布置在翅片管或板翅式換熱器翅片上或通道流換熱器板面上，從而誘導端部縱向渦旋和根部馬蹄渦系耦合減薄、或破壞緊貼壁面的邊界層、或加大紊流強度實現被動式強化換熱，提高換熱器效能；所述翼型為矩形翼、梯形翼或三角翼中的一種。
2. 根據權利要求1所述斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件，其特徵在於， 將矩形翼以一立邊頂部為始向另一立邊依斜切角度a斜切而成梯形翼或三角翼， 再將其立面以a/b曲率彎製成半圓柱面或半橢圓柱面形式；或先將矩形翼立面以 a/b曲率彎製成半圓柱面或半橢圓柱面形式，再自一立邊頂部向另一立邊依斜切 角度a斜切而成，其斜切角度a在(T至對角線與水平線夾角之間變化；半橢圓柱 面的短軸半徑與長軸半徑之比a/b在0-1之間變化，a/b=0時半橢圓柱面即演變 成平面，a/b二l時半橢圓柱面即演變成半圓柱面。
3. 根據權利要求1所述斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件，其特徵在於， 所述渦發生器材料選用換熱器本身材料或包括金屬在內的易切割、易彎曲安裝的 材料，其材料耐溫應滿足換熱器允許工作條件的要求。
4. 根據權利要求1所述斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件，其特徵在於， 所述渦發生器在換熱器板、翅面或通道流中的安裝方式採用焊接、粘接、鉚接、 嵌入或衝壓方式。
全文摘要
本發明公開了屬於換熱器傳熱零部件領域的一種斜截柱面翼式渦發生器強化傳熱元件。是將翼型渦發生器立面彎曲成半圓柱面或半橢圓柱面形式，以一定迎流攻角和陣列方式布置在翅片管或板翅式換熱器翅片上或其它通道流換熱器板面上，從而誘導端部縱向渦旋和根部馬蹄渦系耦合減薄或破壞緊貼壁面的邊界層或加大紊流強度實現被動式強化換熱，提高換熱器效能。另外，重要的是由於其流線型表面，使得形狀阻力減小，從而降低了流動壓力損失，減少流體輸送能耗。此種渦流發生器可有金屬或其它易彎曲成型材料加工，具有製造簡單，安裝方便的特點，在氣-液或氣-氣熱交換器中有著廣泛的應用前景和推廣價值。
文檔編號F28F21/00GK101532798SQ20091008129
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月31日 優先權日2009年3月31日
發明者周國兵 申請人:華北電力大學