專利名稱：一種可以產(chǎn)生縱向渦的換熱元件及其元件對(duì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以產(chǎn)生縱向渦的換熱元件及其元件對(duì)，屬于強(qiáng)化換熱技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自從進(jìn)入二十一世紀(jì)，能源問題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的能耗卻遠(yuǎn)高于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，故提高能源利用率和節(jié)能是解決我國(guó)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(shí)現(xiàn)的，而強(qiáng)化傳熱可以提高傳熱設(shè)備的熱性能、降低傳熱溫差和減少泵功耗，因此強(qiáng)化傳熱對(duì)于節(jié)能和提高能源利用率起到關(guān)鍵作用。根據(jù)對(duì)象和條件的不同，人們研發(fā)了各種各樣的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，其中縱向渦強(qiáng)化 傳熱技術(shù)就是其中一種。當(dāng)流體橫越過某障礙物時(shí)，往往會(huì)在障礙物的背面空間產(chǎn)生回旋，這些渦旋有利有弊。如果障礙物的橫向尺寸有限，并且與來流的流體相交成合適的角度，則產(chǎn)生的渦旋將不會(huì)滯留于某一空間內(nèi)，而會(huì)隨主流向前運(yùn)動(dòng)，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(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了主流區(qū)與傳熱壁面附近的流體間的動(dòng)量和能量的交換，強(qiáng)烈的擾動(dòng)對(duì)邊界層起到減弱或破壞作用，因而使傳熱增強(qiáng)。總之，采用縱向渦傳熱強(qiáng)化技術(shù)，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(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了縱向渦強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究，李曉偉在其博士論文中提到了一種新型不連續(xù)交叉肋板片，其數(shù)值分析和流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)表明，該肋片板間產(chǎn)生了包括前縱向渦、后縱向渦及主縱向渦等一系列縱向渦，揭示了其強(qiáng)化換熱的物理機(jī)制，比目前常用的人字形板片同功耗換熱強(qiáng)化25%以上。他還用數(shù)值計(jì)算和流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)方法對(duì)肋參數(shù)對(duì)流動(dòng)和換熱的影響進(jìn)行了分析，給出了不連續(xù)交叉肋板片的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。經(jīng)以上可以分析出，該交叉肋加工方便，可以產(chǎn)生高質(zhì)量的縱向渦旋，且強(qiáng)化換熱效果比較好，目前是一種較先進(jìn)的縱向渦強(qiáng)化換熱擾流元件，然而其同功耗換熱指標(biāo)尚有大幅的上升空間。在大多數(shù)強(qiáng)化傳熱的過程中都存在這樣一個(gè)問題換熱效果越好，壓力損失就越大，采用縱向渦傳熱強(qiáng)化技術(shù)亦是如此。如何在提高換熱系數(shù)的同時(shí)盡量使壓力損失增長(zhǎng)較小，即提聞其同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)，是提聞?chuàng)Q熱器整體效能的關(guān)鍵。由此可見，有必要提出一種新的縱向渦旋產(chǎn)生元，這種元件的幾何外形可在不連續(xù)十字交叉肋的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，而換熱效果要明顯好于傳統(tǒng)的不連續(xù)交叉肋，而且同功耗換熱性能也要大幅提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的縱向渦旋擾流元件，這種元件所產(chǎn)生的縱向渦旋的質(zhì)量要好，與不連續(xù)交叉肋相比，換熱效果和同功耗強(qiáng)化換熱性能都明顯提高。該元件是一種可以產(chǎn)生縱向渦的用于強(qiáng)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(shè)過初始正方形中心的直線為主軸線，將主軸線外一點(diǎn)繞該主軸線順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)角度a并沿主軸線前進(jìn)長(zhǎng)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(zhǎng)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(shù)有效范圍為a/L在10 60之內(nèi)，單位為度/_，設(shè)定拉伸終止時(shí)的正方形與初始正方形相同，則a須為90°的整數(shù)倍；肋凸出換熱表面的高度與肋高之比e在0.25 I之內(nèi)；上述肋與流體來流方向所成攻角@在0° 90°范圍內(nèi)。上述換熱元件凸起于換熱表面內(nèi)部，且換熱表面與上述主軸線平行。根據(jù)所述的可以產(chǎn)生縱向渦的強(qiáng)化換熱元件所形成的元件對(duì)，其特征在于它由兩個(gè)上下交疊的強(qiáng)化換熱元件組成，整體形式為十字交叉式。新型的強(qiáng)化換熱元件的總體效果要顯著好于傳統(tǒng)的直肋，在有效a/L、e、β內(nèi)，同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)提高范圍為30% 40%。新型強(qiáng)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(nèi)，單位為度/mm,為保證旋轉(zhuǎn)終止時(shí)的正方形截面與初始正方 形復(fù)位，a為90°的整數(shù)倍，同一流速下隨a/L的增加，流體掠過該肋后壓力損失降低而換熱系數(shù)波動(dòng)不大，故同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)增大；a /L越大增長(zhǎng)率越小，當(dāng)a /L為60時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)近于水平。凸起比例e的有效參數(shù)范圍為0. 25到I,在有效參數(shù)范圍內(nèi)隨e增大，壓力損失迅速增大,換熱系數(shù)也略有增加,而e越小，同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)越高，e小于0. 25后，同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)增長(zhǎng)非常緩慢。有效P參數(shù)范圍為0 90°，隨P增大，換熱系數(shù)波動(dòng)較小，壓力損失增大，尤其當(dāng)P超過30°后急劇增大；￠=30°時(shí)同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)值最優(yōu)。流體掠過該新型換熱元件后，速度方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移，引發(fā)了二次流動(dòng)；基于該換熱元件的螺旋特性，且出現(xiàn)了大小不一的縱向渦旋。這些縱向渦旋的強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，破壞并削薄了熱邊界層和速度邊界層，強(qiáng)化了主流區(qū)與邊界層區(qū)流體之間的動(dòng)量和能量交換，改善了對(duì)流換熱的速度場(chǎng)和熱流場(chǎng)的協(xié)同程度，故換熱效果明顯提高。


圖I是螺旋柱體生成示意 圖2是單壁面螺旋柱體幾何形狀 圖3是十字交叉后的螺旋肋俯視 圖4是十字交叉后的螺旋肋對(duì)在矩形通道內(nèi)的放置示意圖。圖中標(biāo)號(hào)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(duì)，7.流體進(jìn)口，8.流體出口。
具體實(shí)施例方式參照附圖1，詳細(xì)介紹了單螺旋肋的構(gòu)造思路。將正方形[I]沿著該螺旋線[2]正交拉伸為一個(gè)螺旋狀的柱體[3]。螺旋線由軸線外一點(diǎn)以該直線為軸心順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)角度a前進(jìn)肋長(zhǎng)度L得到。在L=9mm的條件下，有效a參數(shù)為90°、180°、270°、360°、450°、540°。同一流速下隨a增加，流體掠過該肋后壓力損失降低而換熱系數(shù)波動(dòng)不大，故同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)增大；a越大增長(zhǎng)率越小，當(dāng)a為540°時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)近于水平；a =540°比a =90°時(shí)同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)增大了 8%。參照附圖2，詳細(xì)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。肋凸起于換熱表面，凸肋與流體來流方向呈一定角度0，以凸肋與流體來流方向一致時(shí)為O。，在肋所在換熱表面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。有效P參數(shù)范圍為(T90。，隨P增大，換熱系數(shù)波動(dòng)較小，壓力損失增大，尤其當(dāng)0超過30°后急劇增大；經(jīng)計(jì)算后￠=30°時(shí)同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)最好。凸起比例e的有效參數(shù)范圍為0. 25到1，隨e增大，壓力損失增大，換熱系數(shù)也略有增加,而e越小，同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)越高。參照附圖3，詳細(xì)介紹了兩個(gè)新型強(qiáng)化換熱元件上下錯(cuò)列十字交叉時(shí)的俯視平面圖。兩個(gè)螺旋肋上下錯(cuò)列十 字交叉，傾斜方向相反，分別嵌入上、下?lián)Q熱內(nèi)表面。參照附圖4，詳細(xì)介紹了可以產(chǎn)生縱向渦的螺旋肋對(duì)[6]。經(jīng)對(duì)單肋的流場(chǎng)分析，可知，流體掠過單肋后產(chǎn)生了垂直于壁面的速度矢量，可產(chǎn)生大于180°的渦旋。當(dāng)兩個(gè)新型肋呈十字交叉后，即可產(chǎn)生不斷前進(jìn)著的縱向渦旋。將該螺旋肋對(duì)置于矩形通道[5]內(nèi)，流體從左側(cè)流入[7]，掠過該肋對(duì)后由右側(cè)流出[8]。當(dāng)流體流過該螺旋肋對(duì)后，產(chǎn)生軸心與流體流動(dòng)方向一致的渦旋，流場(chǎng)與不連續(xù)十字交叉肋所形成的流場(chǎng)類似，但更為復(fù)雜，大漩渦中包含著小漩渦，并可以影響到下游很廣的區(qū)域。該新型換熱元件肋對(duì)與傳統(tǒng)不連續(xù)十字交叉直肋相比，壓力損失提高了 35. 3%，換熱系數(shù)提高了 29. 4%，同功耗強(qiáng)化換熱指標(biāo)提聞了 17%。
權(quán)利要求
1.一種可以產(chǎn)生縱向渦的強(qiáng)化換熱元件，其特征在于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(shè)過初始正方形中心的直線為主軸線,將主軸線外一點(diǎn)繞該主軸線順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)角度α并沿主軸線前進(jìn)長(zhǎng)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(zhǎng)度L，即可得到一個(gè)螺旋柱體；螺旋線為螺旋柱體的軸線；上述α為90°的整數(shù)倍，且a /L在10 60之內(nèi)，單位為度/mm ；上述肋嵌于所述換熱表面內(nèi)，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°范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可以產(chǎn)生縱向渦的強(qiáng)化換熱元件所形成的元件對(duì)，其特征在于它由兩個(gè)上下交疊的強(qiáng)化換熱元件組成，整體形式為十字交叉式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可以產(chǎn)生縱向渦的換熱元件及其元件對(duì)，屬于強(qiáng)化換熱領(lǐng)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(shè)過初始正方形中心的直線為主軸線，將主軸線外一點(diǎn)繞該主軸線順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)角度α并沿主軸線前進(jìn)長(zhǎng)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(zhǎng)度L，即可得到一個(gè)螺旋柱體；該元件所產(chǎn)生的縱向渦旋的質(zhì)量要好，與不連續(xù)交叉肋相比，換熱效果和同功耗強(qiáng)化換熱性能都明顯提高。
文檔編號(hào)F28F13/02GK102636073SQ201210116950
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者周雷, 岳晨, 梁林, 焦煒琦, 田智昀, 申耀陽(yáng), 蒲文灝, 趙錦杰, 郭新賢, 陳慧, 韓東, 鹿鵬 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)