斜截柱面翼式涡发生器强化传热元件

摘要

本发明公开了属于换热器传热零部件领域的一种斜截柱面翼式涡发生器强化传热元件。是将翼型涡发生器立面弯曲成半圆柱面或半椭圆柱面形式，以一定迎流攻角和阵列方式布置在翅片管或板翅式换热器翅片上或其它通道流换热器板面上，从而诱导端部纵向涡旋和根部马蹄涡系耦合减薄或破坏紧贴壁面的边界层或加大紊流强度实现被动式强化换热，提高换热器效能。另外，重要的是由于其流线型表面，使得形状阻力减小，从而降低了流动压力损失，减少流体输送能耗。此种涡流发生器可有金属或其它易弯曲成型材料加工，具有制造简单，安装方便的特点，在气－液或气－气热交换器中有着广泛的应用前景和推广价值。

说明书

技术领域

本发明属于换热器传热零部件领域，特别涉及一种斜截柱面翼式涡发生器强化传热元件。具体说是将翼型(三角翼、矩形翼、梯形翼)涡发生器立面弯曲成半圆柱面或半椭圆柱面形式，以一定迎流攻角和阵列方式布置在翅片管或板翅式换热器翅片上或其它通道流换热器板面上，从而诱导端部纵向涡旋和根部马蹄涡系耦合减薄或破坏紧贴壁面的边界层或加大紊流强度实现被动式强化换热，提高换热器效能。

背景技术

气—液或气—气(汽)热交换设备广泛地应用于能源、石化、制冷、建筑、冶金、食品加工、航空及其它一些工业的动力过程系统，并在其中占有相当重要的投资份额。如何改进和优化换热器设计，提高传热性能，以降低其动力和金属消耗、节省能源和空间、成为现代工业发展过程中必须解决的课题。近年来，在传热强化技术的推动下，涌现出各种设计新颖、具有高性能换热表面的紧凑式热交换器，开发和研究所关注的焦点是提高单位面积的传热速率和降低摩擦阻力。

在气体流动热交换器内，摩擦阻力的限制迫使设计者选择较低的质量流速，气体的低质量流速和低导热系数(低于绝大多数液体)导致单位传热表面的低传热速率；对于气—液热交换器，气体侧的换热系数远小于液体侧的换热系数(空气侧约为水侧的1/70～1/40)，空气侧的热阻通常远远超过壁面热阻和液侧热阻，而成为所谓传热过程的控制热阻，因此换热器的性能往往受限于气侧的换热，改善气侧换热是解决问题的关键所在。

强化气侧换热的方法从原理上可以有提高工质流速、消除流体流动时出现的旋涡死滞区、增加流体的扰动与混合、破坏流体边界层或层流底层的发展、改变换热面表面状况等。作为无相变的单相流体，气侧热阻主要在边界层或层流底层，设法减薄边界层或层流底层的厚度是有效的方式。按照所采用的强化措施中是否需要外界提供能量可分为：主动式和被动式。主动式需要利用外部能量来达到强化传热的目的，它包括：机械手段、表面振动、流体振动、电场、磁场和喷射冲击等。

被动式强化传热技术不需要直接使用外界动力，包括采用处理表面、粗糙表面、扩展表面、扰流装置、旋涡流装置、螺旋管和添加剂等。

以上所列是强化气侧传热的常用手段。虽方法繁多，但大多强化传热方法的共同点在于通过扰动以减薄或破坏紧贴壁面的边界层或加大紊流强度。诱导涡旋强化换热是一种被动的、有目的的依靠产生二次流来强化传热的方法，一种较为常见的方法是利用涡发生器(Vortex Generator，以下简称VG)，该方法因其经济实用近年来受到越来越多的关注。由于纵向涡旋在强化传热方面的积极效果，纵向涡发生器成为人们研究的焦点。主要以翼型、柱型纵向涡发生器为主。

传统的翼型涡发生器如三角翼、矩形翼、梯形翼由于产生较强的端部纵向涡旋而具有较强的强化换热效果，但由于摩擦和形状阻力较大，导致流动压降也比较大；柱型涡发生器(如圆柱、椭圆柱)根部产生马蹄涡系，虽形状阻力小，但强化换热效果差些。申请人以前曾提出一种斜截半椭圆柱体涡流发生器，在其端部产生端部纵向涡，在根部形成马蹄涡系。两种涡簇的共同作用使强化传热效果明显增强，同时其流线型柱面使形状阻力大为减小。但由于加工难度较大，耗材和制造成本较大。本发明提出的斜截柱面翼式涡发生器强化传热元件解决了这一问题，更加实用可靠，对于提高换热器效能、节能节材有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是斜截柱面翼式涡发生器强化传热元件，其特征在于，将翼型涡发生器立面弯曲成半圆柱面或半椭圆柱面形式，以迎流攻角β和阵列方式布置在翅片管或板翅式换热器翅片上或通道流换热器板面上，从而诱导端部纵向涡旋和根部马蹄涡系耦合减薄、或破坏紧贴壁面的边界层、或加大紊流强度实现被动式强化换热，提高换热器效能；所述翼型为矩形翼、梯形翼或三角翼中的一种。

本发明的有益效果是本发明的斜截柱面翼式涡发生器不仅在根部产生了持久的三维马蹄涡系，并且由于其斜边的存在而产生较强端部纵向涡，消除了翼后回流区。端部纵向涡和马蹄涡系的这种综合作用，不仅强度大而且比较持久，强烈地冲卷壁面，对边界层层流底层起到扰动和破坏作用，使得流体和壁面之间的对流换热有效增强。另外，重要的是由于其流线型表面，使得形状阻力减小，从而降低了流动压力损失，减少流体输送能耗。此种涡流发生器可有金属或其它易弯曲成型材料加工，具有制造简单，安装方便的特点。

附图说明

图1为斜截柱面翼式涡发生器外形和结构示意图，其中图1(a)为正视图；图1(b)为侧视图；图1(c)为俯视图。

图2为斜截柱面翼式涡发生器在换热器翅片布置示意图。

具体实施方式

本发明提供一种强化换热效果好、流动阻力损失小、加工制造简单、安装方便的斜截柱面翼式涡发生器强化传热元件。所述斜截柱面翼式涡发生器强化传热元件，是将矩形翼以一立边顶部为始向另一立边依α角斜切而成梯形翼或三角翼(如图1(a)所示)，再将其立面以a/b曲率弯制成半圆柱面或半椭圆柱面形式；或先将矩形翼立面以a/b曲率弯制成半圆柱面或半椭圆柱面形式，再自一立边顶部向另一立边依α角斜切而成(如图1(b)、图1(c)所示)。矩形翼的长、高、厚度尺寸或比例以换热器形式和流道尺寸相应设计要求而定；斜切角α在0°至对角线与水平线夹角之间变化；立面构成不同曲率的半椭圆柱面或半圆柱面，a/b在0-1之间变化，a/b＝0时半椭圆柱面即演变成平面，a/b＝1时半椭圆柱面即演变成半圆柱面；矩形翼的长、高、厚度尺寸或比例以换热器形式和流道尺寸相应设计要求而定如图1；

所述涡发生器材料可采用但不局限于换热器本身材料或其它易切割、弯曲安装的材料(包括金属)。其材料耐温及其它性质应满足换热器允许工作条件要求。

所述涡发生器在换热器板、翅面或通道流中的安装方式可采用但不局限于焊接、粘接、铆接、嵌入或冲压等方式。

所述涡发生器在换热器板、翅面或通道流中的布置方式依换热器形式、结构及设计要求而定，可以但不局限于成对、多排、多列；顺排、顺列或错排、错列；其前后左右相互间距以及在换热器板、翅面或通道流中的相对位置依换热器、运行条件等设计要求而定。其迎流攻角β可以在0°-90°范围内变化(如图2所示)，但不局限于此范围。