一種可以產生縱向渦的換熱元件及其元件對的製作方法

2023-10-04 14:46:49

專利名稱：一種可以產生縱向渦的換熱元件及其元件對的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可以產生縱向渦的換熱元件及其元件對，屬於強化換熱技術領域。
背景技術：
自從進入二十一世紀，能源問題已經成為制約我國經濟發展的瓶頸。我國工業產品的能耗卻遠高於工業發達國家，故提高能源 用率和節能是解決我國能源問題的最有效途徑。絕大部分的能源利用都是通過熱能和各種換熱器來實現的，而強化傳熱可以提高傳熱設備的熱性能、降低傳熱溫差和減少泵功耗，因此強化傳熱對於節能和提高能源利用率起到關鍵作用。根據對象和條件的不同，人們研發了各種各樣的強化傳熱技術，其中縱向渦強化傳熱技術就是其中一種。當流體橫越過某障礙物時，往往會在障礙物的背面空間產生迴旋，這些渦旋有利有弊。如果障礙物的橫向尺寸有限，並且與來流的流體相交成合適的角度，則產生的渦旋將不會滯留於某一空間內，而會隨主流向前運動，從而形成一系列的有序縱向渦旋，即縱向渦。這些縱向渦旋的強烈運動，促進了主流區與傳熱壁面附近的流體間的動量和能量的交換，強烈的擾動對邊界層起到減弱或破壞作用，因而使傳熱增強。總之，採用縱向渦傳熱強化技術，是一種更有效的提高換熱器的傳熱效率的途徑。近年來有很多國內外學者進行了縱向渦強化傳熱技術的研究，李曉偉在其博士論文中提到了一種新型不連續交叉肋板片，其數值分析和流動顯示實驗表明，該肋片板間產生了包括前縱向渦、後縱向渦及主縱向渦等一系列縱向渦，揭示了其強化換熱的物理機制，比目前常用的人字形板片同功耗換熱強化25%以上。他還用數值計算和流動顯示實驗方法對肋參數對流動和換熱的影響進行了分析，給出了不連續交叉肋板片的最佳結構參數。經以上可以分析出，該交叉肋加工方便，可以產生高質量的縱向渦旋，且強化換熱效果比較好，目前是一種較先進的縱向渦強化換熱擾流元件，然而其同功耗換熱指標尚有大幅的上升空間。在大多數強化傳熱的過程中都存在這樣一個問題換熱效果越好，壓力損失就越大，採用縱向渦傳熱強化技術亦是如此。如何在提高換熱係數的同時儘量使壓力損失增長較小，即提聞其同功耗強化換熱指標，是提聞換熱器整體效能的關鍵。由此可見，有必要提出一種新的縱向渦旋產生元，這種元件的幾何外形可在不連續十字交叉肋的基礎上加以改進，而換熱效果要明顯好於傳統的不連續交叉肋，而且同功耗換熱性能也要大幅提聞。
發明內容本實用新型的目的在於提出一種新的縱向渦旋擾流元件，這種元件所產生的縱向渦旋的質量要好，與不連續交叉肋相比，換熱效果和同功耗強化換熱性能都明顯提高。該元件是一種可以產生縱向渦的用於強化換熱的元件，該元件的形狀為正方形截面的螺旋狀柱體。設過初始正方形中心的直線為主軸線，將主軸線外一點繞該主軸線順時針勻速旋轉角度α並沿主軸線前進長度L得到一條螺旋線，螺旋線半徑為r;將上述初始正方形沿該條螺旋線正交拉伸長度L，即可得到螺旋柱體；上述螺旋線即是螺旋柱體的軸線。該換熱元件的參數有效範圍為a/L在10 60之內，單位為度/_，設定拉伸終止時的正方形與初始正方形相同，則α須為90°的整數倍；肋凸出換熱表面的高度與肋高之比e在O. 25 I之內；上述肋與流體來流方向所成攻角β在0° 90°範圍內。上述換熱元件凸起於換熱表面內部，且換熱表面與上述主軸線平行。根據所述的可以產生縱向渦的強化換熱元件所形成的元件對，其特徵在於它由兩個上下交疊的強化換熱元件組成，整體形式為十字交叉式。新型的強化換熱元件的總體效果要顯著好於傳統的直肋，在有效α/L、e、β內，同功耗強化換熱指標提高範圍為30% 40%。新型強化換熱元件的換熱效果和壓力損失情況如下a/L在10 60之內，單位為度/mm,為保證旋轉終止時的正方形截面與初始正方形復位，α為90°的整數倍，同一流速下隨a/L的增加，流體掠過該肋後壓力損失降低而 換熱係數波動不大，故同功耗強化換熱指標增大；a /L越大增長率越小，當a /L為60時，增長趨勢近於水平。凸起比例e的有效參數範圍為O. 25到I,在有效參數範圍內隨e增大，壓力損失迅速增大,換熱係數也略有增加,而e越小，同功耗強化換熱指標越高，e小於O. 25後，同功耗強化換熱指標增長非常緩慢。有效β參數範圍為O 90°，隨β增大，換熱係數波動較小，壓力損失增大，尤其當β超過30°後急劇增大；β=30°時同功耗強化換熱指標值最優。流體掠過該新型換熱元件後，速度方向發生旋轉偏移，引發了二次流動；基於該換熱元件的螺旋特性，且出現了大小不一的縱向渦旋。這些縱向渦旋的強烈運動，破壞並削薄了熱邊界層和速度邊界層，強化了主流區與邊界層區流體之間的動量和能量交換，改善了對流換熱的速度場和熱流場的協同程度，故換熱效果明顯提高。

圖I是螺旋柱體生成示意圖；圖2是單壁面螺旋柱體幾何形狀圖；圖3是十字交叉後的螺旋肋俯視圖；圖4是十字交叉後的螺旋肋對在矩形通道內的放置示意圖。圖中標號名稱1.肋原始拉伸截面，2.螺旋線，3.螺旋肋，4.平板換熱表面，5.矩形通道，6.螺旋肋對，7.流體進口，8.流體出口。
具體實施方式
參照附圖1，詳細介紹了單螺旋肋的構造思路。將正方形[I]沿著該螺旋線[2]正交拉伸為一個螺旋狀的柱體[3]。螺旋線由軸線外一點以該直線為軸心順時針勻速旋轉角度α前進肋長度L得到。在L=9mm的條件下，有效α參數為90°、180°、270°、360°、450°、540°。同一流速下隨α增加，流體掠過該肋後壓力損失降低而換熱係數波動不大，故同功耗強化換熱指標增大；α越大增長率越小，當α為540°時，增長趨勢近於水平；α=540°比α=90°時同功耗強化換熱指標增大了 8%。參照附圖2，詳細介紹了單螺旋肋[3]的幾何外形以及在換熱表面[4]上的放置位置。肋凸起於換熱表面，凸肋與流體來流方向呈一定角度β，以凸肋與流體來流方向一致時為O。，在肋所在換熱表面逆時針旋轉。有效β參數範圍為(Γ90°，隨β增大，換熱係數波動較小，壓力損失增大，尤其當β超過30°後急劇增大；經計算後β=30°時同功耗強化換熱指標最好。凸起比例e的有效參數範圍為O. 25到1，隨e增大，壓力損失增大，換熱係數也略有增加,而e越小，同功耗強化換熱指標越高。參照附圖3，詳細介紹了兩個新型強化換熱元件上下錯列十字交叉時的俯視平面圖。兩個螺旋肋上下錯列十字交叉，傾斜方向相反，分別嵌入上、下換熱內表面。參照附圖4，詳細介紹了可以產生縱向渦的螺旋肋對[6]。經對單肋的流場分析，可知，流體掠過單肋後產生了垂直於壁面的速度矢量，可產生大於180°的渦旋。當兩個新 型肋呈十字交叉後，即可產生不斷前進著的縱向渦旋。將該螺旋肋對置於矩形通道[5]內，流體從左側流入[7]，掠過該肋對後由右側流出[8]。當流體流過該螺旋肋對後，產生軸心與流體流動方向一致的渦旋，流場與不連續十字交叉肋所形成的流場類似，但更為複雜，大漩渦中包含著小漩渦，並可以影響到下遊很廣的區域。該新型換熱元件肋對與傳統不連續十字交叉直肋相比，壓力損失提高了 35. 3%，換熱係數提高了 29. 4%，同功耗強化換熱指標提聞了 17%。
權利要求1.一種可以產生縱向渦的強化換熱元件，其特徵在於 由肋和換熱表面組成； 上述肋的形狀為正方形截面的螺旋狀柱體，它是通過以下方式得到設過初始正方形中心的直線為主軸線,將主軸線外一點繞該主軸線順時針勻速旋轉角度α並沿主軸線前進長度L得到一條螺旋線，螺旋線半徑為r ;將上述初始正方形沿該條螺旋線正交拉伸長度L，即可得到一個螺旋柱體；螺旋線為螺旋柱體的軸線；上述α為90°的整數倍，且a /L在10 60之內，單位為度/mm ;； 上述肋嵌於所述換熱表面內，且換熱表面與上述主軸線平行； 上述肋凸出換熱表面的高度與肋高之比e在O. 25 I之間；上述肋與流體來流方向所成攻角β在0° 90。範圍內。
2.根據權利要求I所述的可以產生縱向渦的強化換熱元件所形成的元件對，其特徵在於它由兩個上下交疊的強化換熱元件組成，整體形式為十字交叉式。
專利摘要本實用新型涉及一種可以產生縱向渦的換熱元件及其元件對，屬於強化換熱領域。該元件由肋和換熱表面組成；上述肋的形狀為正方形截面的螺旋狀柱體，它是通過以下方式得到設過初始正方形中心的直線為主軸線，將主軸線外一點繞該主軸線順時針勻速旋轉角度α並沿主軸線前進長度L得到一條螺旋線，螺旋線半徑為r；將上述初始正方形沿該條螺旋線正交拉伸長度L，即可得到一個螺旋柱體；該元件所產生的縱向渦旋的質量要好，與不連續交叉肋相比，換熱效果和同功耗強化換熱性能都明顯提高。
文檔編號F28F13/02GK202547480SQ20122016915
公開日2012年11月21日 申請日期2012年4月20日 優先權日2012年4月20日
發明者周雷, 嶽晨, 梁林, 焦煒琦, 田智昀, 申耀陽, 蒲文灝, 趙錦傑, 郭新賢, 陳慧, 韓東, 鹿鵬 申請人:南京航空航天大學