CN102032828A

CN102032828A - 分形表面结构式换热管

Info

Publication number: CN102032828A
Application number: CN 201010597912
Authority: CN
Inventors: 陈永平; 张程宾; 眭佳佳; 施明恒
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102032828B

Abstract

本发明公开了一种分形表面结构式换热管，包括管壳、肋化表面、异形扰流体和连接件，所述的肋化表面沿流动方向的螺旋形地布置在所述管壳的内壁，所述的异形扰流体布置在换热管内部，所述的异形扰流体通过所述的连接件固定在所述的管壳上，其特征在于：所述的肋化表面为具有分形结构特征的表面，沿流动方向呈螺旋形延伸；所述的异形扰流体外表面呈现凹凸分布，且其截面形状沿流动方向呈周期性变化。该换热管的康托集分形肋化表面，大大提高了管内流动换热的场协同性。以上这些因素大大强化了该型换热管的换热性能，进而达到高效换热、结构紧凑、节能的目的。

Description

分形表面结构式换热管

技术领域

本发明涉及一种换热装置，具体涉及的是一种为强化换热而设计的具有分形表面结构特征的换热管。

背景技术

换热器广泛用于能源、动力、环保、化工等工业应用领域。随着工业节能减排工作的推进，对涉及能耗的各个环节采用积极有效的节能措施将具有重要工程价值和意义。对换热器进行优化设计，提高其换热效能，是节能减排的一个重要举措。

换热管是换热器的主要部件之一，对其进行优化设计是提高换热器效能的重要途径。由场协同理论可知，对于流动换热而言，光滑管设计并不是最为优化的换热方式。对流换热的热阻主要集中在底层，所以强化底层的换热是重点，同时改善管内流动，增加管内扰流，为强化换热的方向。目前，换热管的强化换热一般是采用螺纹、波纹等肋化表面设计来实现。该种肋化表面是通过在流动换热区域内产生的局部扰动，提高了流体湍动能强度，实现了传热边界层的重新生成并增强了通道内冷热流体传热系数，提高了换热管的传热性能。然而，现有的螺纹、波纹等肋化表面设计尚未能充分利用换热管的表面空间，并且，还缺少考虑流体主流流型对管内热传递影响。

为此，本发明将换热管表面设计成具有分形结构特征以充分利用换热管的表面空间，并在管内插入异形扰流体以提高流动换热的场协同性，进而达到高效换热和节能的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种新型的具有分形表面结构特征、并在其管内插入异形扰流体的换热管，该换热管能提高换热管内的流动换热的场协同性，达到高效换热和节能作用。

技术方案

为解决换热管设计上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种分形表面结构式换热管，包括管壳、肋化表面、异形扰流体和连接件，所述的肋化表面沿流动方向的螺旋形地布置在所述管壳的内壁，所述的异形扰流体布置在换热管内部，所述的异形扰流体通过所述的连接件固定在所述的管壳上，其特征在于：所述的肋化表面为具有分形结构特征的表面，沿流动方向呈螺旋形延伸；所述的异形扰流体外表面呈现凹凸分布，且其截面形状沿流动方向呈周期性变化。

所述的具有分形结构特征的肋化表面采用Cantor集分形结构，至少布置有两级肋化表面结构。考虑到实际加工要求，所述的肋化表面结构的分形级数为2到10级。 Cantor集分形结构具有自仿射拓扑特征，其分形轮廓的生成过程是：

(1) 在水平方向，将第0级表面轮廓分为(2s-1)段（s为凸起段数），将各段从左到右按1，2······2s-1依次排序，其中奇数段与奇数段等长，偶数段则与偶数段等长，奇数段总长L ₁为初始表面轮廓长度L ₀的1/f _x(f _x >1)。在垂直方向上，偶数段凸起高度保持h ₀；

(2) 将上述各奇数段再次按上述方法各分成(2s-1)段，其中的偶数段高度h ₁为上一级偶数段凸起高度h ₀的1/f _z (f _z>1)；

(3) 不断重复以上步骤，根据这种方法生成的分形轮廓，其(n+1)级水平方向长度和凸起高度分别为

(1)

(2)

初始几何高度参数h ₀可参考换热管的直径、管壳的厚度及需考虑的管路流动阻力而定。参数s和Cantor集分形结构的分形维数D与比例系数f _x 、f _y存在以下关系：

(

) (3)

式（3）中， f _x 、f _y分别为长度方向和高度方向上的比例系数。

所述的扰流体沿换热管轴向布置，贯穿于整个换热管。所述的扰流体的轴线平行于换热管的轴线位置或者处于换热管的轴线位置。所述的扰流体由多个橄榄体前后相续连接，截面形状沿流动方向呈周期性变化，并在其外表面上布置连续的凹凸体。所述的凹凸体的截面形状为三角形、矩形、梯形等任意截面形状。

所述的扰流体在管内经过周期性的断面变化，使得流体主流在反复改变速度梯度和温度梯度条件下流动，提高了管内流动换热的场协调性，并且截面变化产生的二次流和涡流也有助于削薄换热管肋片表面的热边界层，起到了强化换热的作用。

所述的具有分形结构特征的Cantor集分形肋化表面，充分利用了管壁表面空间，使得在有限空间内最大限度布置换热表面。并且，Cantor集分形肋化表面沿流动方向的螺旋形设计，减少了换热管表面的流体速度矢量和热流矢量方向夹角，提高了流动换热的场协同性。Cantor肋片表面的峰谷多级错列布置，影响了流体在近壁面处的局部流动，在肋片峰截面由于流通面积的减少使得流速增加，有利于强化对流换热；更主要的是，峰谷的存在导致了热边界层的重新生成，可大大促进局部努谢尔数的增高，达到了高效换热和节能目的。

所述的换热管根据工作条件、流体性质等可以选择不同的材料，可选用碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜（合金）、铝（合金）、镍（合金）等材料。

本发明提供的一种分形表面结构式换热管，其内部的流体可为水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有机物、制冷剂等任意流体工质；管内的换热方式可为强迫对流换热、沸腾/冷凝相变换热方式。并且，外表面可采用同类型的Cantor集分形肋化表面，该型换热管也可以制成盘管、蛇形等多种类型，具体形状可根据工况和运行条件来确定，不管是哪种类型，都能正常高效地工作。

有益效果：

本发明涉及的一种分形表面结构式换热管，该换热管内壁在沿流动方向上呈螺旋形布置了具有分形结构特征的Cantor集分形肋化表面，充分利用了管壁内表面空间，使得在有限空间内最大限度地布置换热表面。并且，Cantor肋片表面的峰谷呈多级错列布置，减少了换热管表面的流体速度矢量和热流矢量方向夹角，提高了流动换热的场协同性。另外，在管内插入的异形扰流体，其在管内经过周期性的断面变化，使得流体主流在反复改变速度梯度和温度梯度条件下流动，并且截面变化产生的二次流和涡流也有助于削薄换热管肋片表面的热边界层。以上这些因素大大强化了该型换热管的换热性能，进而达到高效换热、结构紧凑、节能的目的。

附图说明

图1分形表面结构式换热管结构示意图。

图2本发明的换热管局部剖面图

图3本发明中Cantor集分形肋化表面示意图。

图4本发明中肋化表面可实施的几种方式。

图5 本发明中分形结构特征的肋化表面局部结构示意图。

图中，1.管壳；2. 肋化表面；3. 凹凸体；4. 异形扰流体；5. 连接件

6. 第0级肋片； 7. 第1级肋片；8. 第2级肋片；9. 第3级肋片。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了所述的分形表面结构式换热管的结构示意图。一种布置了康托（Cantor）集分形肋化表面的强化换热管，由管壳1、肋化表面2、异形扰流体4和连接件5组成。具有分形结构特征的Cantor集分形肋化表面2沿管壳1内壁布置。异形扰流体4由多个橄榄体前后相续连接，通过连接件5固定在管壳1上，贯穿于整个换热管。所述异形扰流体的截面形状沿流动方向呈周期性变化，并在其外表面上布置所述连续的凹凸体。由于扰流体截面呈周期性的变化，使得流体主流在反复改变速度梯度和温度梯度条件下流动，提高了管内流动换热的场协调性，并且截面变化产生的二次流和涡流也有助于削薄换热管肋片表面的热边界层，达到了高效换热和节能目的。

图2给出了所述分形表面结构式换热管的局部剖面图。图2(a)为用连接件支撑的局部示意图。所述凹凸体的截面形状为三角形、矩形、梯形、圆形等任意截面形状。

图3中(a)—(d)给出了分形维数D=1.2的肋化表面从0级到3级的生成过程的示意图。在水平方向，将第0级表面轮廓分为5段，将各段从左到右按1，2······5依次排序，其中奇数段与奇数段等长，偶数段则与偶数段等长，在垂直方向上，使偶数段凸起高度保持h ₀；将上述各奇数段再次按上述方法各分成5段，其中的偶数段高度h ₁为上一级偶数段凸起高度h ₀的1/f _z (f _z>1)；再次重复以上步骤，根据这种方法生成的3级分形轮廓。

图4给出了本发明肋化表面可实施的几种方式。其中，分形维数为1～2。(a)分形维数D=1.2时分形肋化表面的轮廓；(b)为分形维数D=1.5时分形肋化表面的轮廓；(c)为分形维数D=1.65时分形肋化表面的轮廓。

图5给出了所述具有分形结构特征的肋化表面局部结构示意图。在该实施例中，采用分形维数D=1.2的分形肋化表面。由于利用了分形结构特征的Cantor集分形肋化表面，管内有限空间内最大限度的布置了换热表面。Cantor集分形肋化表面沿流动方向按螺旋形设计，减少了换热管表面的流体速度矢量和热流矢量方向夹角，提高了流动换热的场协同性。

Claims

1.一种分形表面结构式换热管，包括管壳、肋化表面、异形扰流体和连接件，所述的肋化表面沿流动方向的螺旋形地布置在所述管壳的内壁，所述的异形扰流体布置在换热管内部，所述的异形扰流体通过所述的连接件固定在所述的管壳上，其特征在于：所述的肋化表面为具有分形结构特征的表面，沿流动方向呈螺旋形延伸；所述的异形扰流体外表面呈现凹凸分布，且其截面形状沿流动方向呈周期性变化。

2.根据权利要求1所述的分形表面结构式换热管，其特征在于：所述的具有分形结构特征的肋化表面采用康托集分形结构，至少布置有两级肋化表面结构。

3.根据权利要求1所述的分形表面结构式换热管，其特征在于：所述的康托集分形结构的分型维数为1～2。

4.根据权利要求1所述的分形表面结构式换热管，其特征在于：所述的扰流体由多个橄榄体前后相续连接而成，截面形状沿流动方向呈周期性变化，其外表面上布置有连续的凹凸体，所述的凹凸体的截面形状为三角形、矩形、梯形、圆形或上述三种形状的组合结构。