本發(fā)明應(yīng)用于鍋爐換熱器領(lǐng)域，具體是涉及一種有效改善換熱管換熱特性的鰭片。

背景技術(shù)：

目前對于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐以及船舶動(dòng)力裝置等排煙余熱的回收，主要使用鰭片管換熱器。而鰭片管作為換熱器的主要組成元件，其換熱效率對煙氣余熱的利用起到很大的影響。通常，鰭片管的組成分為鰭片和基管兩個(gè)部分。對于基管來說，圓管及橢圓管因其加工工藝簡單，成本較低被廣泛應(yīng)用。相比于圓管基管，橢圓管的優(yōu)勢在于，低風(fēng)阻、高換熱效率以及在有限空間內(nèi)布置數(shù)目更多。因此，將橢圓形管作為鰭片管基管得到了廣泛的發(fā)展。

對于鰭片管另一個(gè)重要的組成部分——鰭片，其形狀以及布置方式會(huì)影響到換熱面積和鰭片的對流換熱系數(shù)。通常在流體流經(jīng)鰭片表面時(shí)會(huì)在鰭片表面形成一個(gè)層流邊界層，該邊界層沿流體流向方向逐漸由層流發(fā)展為湍流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，在強(qiáng)制對流條件下，鰭片管束的對流換熱系數(shù)(努塞爾數(shù)Nu)與湍流度(即雷諾數(shù)Re)呈指數(shù)關(guān)系，(式中參數(shù)C和m由管排數(shù)確定)。因此，對流換熱系數(shù)的大小隨流體湍流度增大而增大。綜上，鰭片的布置形式導(dǎo)致具有一定間距的鰭片間流場湍流度(雷諾數(shù))的改變，會(huì)直接影響到鰭片的對流換熱效率。

目前，廣泛應(yīng)用的鰭片形狀主要有矩形鰭片、H形鰭片以及螺旋形鰭片。對現(xiàn)有鰭片進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)存在以下共性和問題：

1.對流換熱強(qiáng)度

對于傳統(tǒng)的矩形和H形鰭片，其布置形式未對邊界層產(chǎn)生足夠的擾動(dòng)或打斷作用，使得鰭片表面的邊界層沿來流方向充分發(fā)展，平行于來流方向布置的鰭片之間的高雷諾數(shù)區(qū)域減小，既減小了鰭片表面的平均對流換熱系數(shù)，又損失了鰭片的有效換熱面積，從而降低了換熱效率。

2.鰭片表面換熱面積

對于螺旋形鰭片管，其鰭片螺旋形布置形式對流經(jīng)鰭片的流體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)作用，使得其沿來流方向上鰭片表面附近的雷諾數(shù)及湍流強(qiáng)度增大，從而增大其對流換熱系數(shù)，但是其總換熱面積不及矩形翅片。

綜上所述，現(xiàn)有的鰭片設(shè)計(jì)主要面臨兩個(gè)問題：首先，目前的設(shè)計(jì)沒有對兩相鄰鰭片間區(qū)域內(nèi)流體的湍流度影響進(jìn)行足夠的考慮，從而減小了鰭片的平均對流換熱系數(shù)。其次，為了獲得更高的換熱效率，而犧牲了過多的換熱面積，使得總換熱量減小。故需要研發(fā)一種既能保證換熱面積，又能改善在兩相鄰鰭片之間區(qū)域內(nèi)的流體湍流強(qiáng)度，來增大鰭片表面對流換熱系數(shù)的新型鰭片管結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種既保證鰭片管表面的換熱面積，同時(shí)，減小鰭片表面邊界層的層流發(fā)展段，提高兩鰭片間流場的平均湍流度，從而提高鰭片的對流換熱系數(shù)的鰭片布置形式。

技術(shù)方案：本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的一種換熱管的分段式鰭片由基管和位于基管外的矩形鰭片組成，在所述矩形鰭片平行于來流方向的兩側(cè)設(shè)置有打斷翅片表面邊界層的開縫，將矩形鰭片分割成后鰭片和前鰭片。

其中：

所述開縫從所述的基管處向兩側(cè)外端延伸至鰭片邊緣處。

所述所述開縫有兩條平行設(shè)置在矩形鰭片上

所述所述開縫與基管中心軸線垂直。

所述所述開縫大小為1～3mm。

所述所述矩形鰭片有兩片，該兩片矩形鰭片之間有一定間距，平行布置在基管的外側(cè)。

本發(fā)明在鰭片與氣體流向平行的換熱面上設(shè)置間斷的矩形翅片，或?qū)F(xiàn)有的矩形形狀的鰭片進(jìn)行開縫處理。這樣的鰭片布置形式，最大限度的減少了換熱面積的損失；同時(shí)當(dāng)流體流過鰭片表面時(shí)，在開縫處會(huì)打斷鰭片表面形成的邊界層，減小鰭片層流發(fā)展段。增大兩相鄰鰭片間流場的平均湍流度。這樣，不僅增加了迎流面氣流與鰭片的接觸時(shí)間，而且因?yàn)榱鲌龅钠骄牧鞫鹊脑龃?，而增大了鰭片的平均對流換熱系數(shù)，提高了換熱效率。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有的鰭片管相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.換熱面積大。在矩形鰭片兩側(cè)面開縫對鰭片管的擴(kuò)展表面積影響不大，保留了矩形鰭片管受熱面積大的優(yōu)勢。

2.鰭片表面的平均換熱系數(shù)提高。鰭片表面的開縫能夠起到打斷鰭片表面邊界層的作用，減少了鰭片表面邊界層的發(fā)展段。提高了相鄰兩鰭片間的平均湍流強(qiáng)度，從而增大鰭片的平均對流換熱系數(shù)，提高換熱效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的鰭片布置形式開縫在前側(cè)的鰭片；圖1a是圖1的A-A剖視圖。

圖2為本發(fā)明的鰭片布置形式開縫在后側(cè)的鰭片。

圖3為本發(fā)明的鰭片布置形式雙縫的鰭片。

圖4為實(shí)施實(shí)例1中兩種鰭片布置形式，圖左為傳統(tǒng)的H形鰭片，圖右為本發(fā)明的分段式鰭片(雙縫)。

圖5為實(shí)施實(shí)例1中兩種鰭片布置形式的鰭片間雷諾數(shù)分布圖(側(cè)視圖)。圖上為傳統(tǒng)H型鰭片，圖下為本發(fā)明的分段式鰭片(雙縫)

圖6為實(shí)施實(shí)例1中兩種鰭片表面湍流強(qiáng)度分布(主視圖)。

圖7為實(shí)施實(shí)例2中兩種鰭片布置形式，圖左為傳統(tǒng)的矩形鰭片，圖右為本發(fā)明的分段式鰭片(單縫)。

圖8為實(shí)施實(shí)例2中兩種鰭片布置形式的鰭片間雷諾數(shù)分布圖(側(cè)視圖)。圖上為傳統(tǒng)矩型鰭片，圖下為本發(fā)明的分段式鰭片(單縫)

圖9為實(shí)施實(shí)例2中兩種鰭片表面湍流強(qiáng)度分布(主視圖)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)說明：

本發(fā)明是一種換熱管的分段式鰭片，主要用于鍋爐換熱器中。

圖1～3為本發(fā)明3種鰭片布置形式，包括后鰭片1和前鰭片3，基管2為橢圓形基管。開縫4可布置在沿與橢圓基管長軸方向任意位置，開縫大小可為1～3mm，開縫數(shù)目為1～2個(gè)適宜。應(yīng)用Fluent商業(yè)軟件對某結(jié)構(gòu)尺寸傳統(tǒng)矩形鰭片、H形鰭片與本發(fā)明的分段式鰭片(單開縫及雙開縫)外部煙氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

實(shí)施實(shí)例1:

在本實(shí)施例中，比較了傳統(tǒng)H型鰭片和本發(fā)明分段式鰭片(雙縫)在相同來流速度和工作環(huán)境下的流場及流動(dòng)特性。鰭片管基管選用橢圓形基管。外部煙氣流速為6m/s，沿x軸正方向流動(dòng)。兩種鰭片布置形式如圖4所示，相鄰鰭片間距為10mm，對于雙縫分段式鰭片，鰭片開縫位置在距基管短軸中心線前后15mm處。

計(jì)算所得兩相鄰鰭片間流場的雷諾數(shù)分布示于圖5。由圖5可知，對于傳統(tǒng)的H形鰭片，兩相鄰鰭片間雷諾數(shù)沿來流方向逐漸增大，經(jīng)過大約沿流動(dòng)方向1/3鰭片長度時(shí)，鰭片管附近雷諾數(shù)達(dá)到70以上。相鄰鰭片間平均雷諾數(shù)為34.9(H形)。對于本發(fā)明的分段式鰭片(雙縫)，從圖6中可以觀察到：雷諾數(shù)大于70的區(qū)域明顯提前至約沿流向方向1/2個(gè)鰭片長度，鰭片管附近平均雷諾數(shù)為49.9。相比于H型鰭片平均雷諾數(shù)提升43％。而鰭片管對流換熱系數(shù)大小與雷諾數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，因此雷諾數(shù)的升高能顯著提高對流換熱系數(shù)。

兩種鰭片的表面湍流強(qiáng)度分布結(jié)果示于圖6。通過統(tǒng)計(jì)湍流強(qiáng)度大于0.7的區(qū)域面積可以發(fā)現(xiàn)，對于傳統(tǒng)H型鰭片在鰭片上約有60％的區(qū)域湍流強(qiáng)度大于0.7(高湍流強(qiáng)度)，本發(fā)明鰭片湍流強(qiáng)度大于0.7的區(qū)域約為66％。考慮到鰭片的總換熱面積，本發(fā)明的鰭片湍流強(qiáng)度大于0.7的換熱面積提升約15％，使得換熱效率明顯提高。

實(shí)施實(shí)例2

在實(shí)施實(shí)例2中，比較了矩形鰭片及本發(fā)明分段式鰭片(單縫)在相同來流速度和工作環(huán)境下的流場及流動(dòng)特性。模擬時(shí)的氣體流速與實(shí)施實(shí)例1中相同，鰭片管基管均采用橢圓形基管。鰭片的布置形式如圖7所示，相鄰鰭片間距為10mm。對于分段式鰭片(單縫)，其開縫位置在沿氣體流向方向距基管短軸中心線靠前15mm處。兩種鰭片布置形式，相鄰鰭片間雷諾數(shù)分布及表面湍流強(qiáng)度分布分別示于圖8和圖9。

由圖8可見，矩形鰭片的兩鰭片間雷諾數(shù)分布與H型鰭片相似，兩相鄰鰭片間平均雷諾數(shù)為45.3。相比于矩形鰭片，本發(fā)明的分段式(單開縫)鰭片兩鰭片間平均雷諾數(shù)為49.5，平均雷諾數(shù)較矩形鰭片提高了9.2％。同時(shí)，從圖9中可以看出本發(fā)明的分段式(單開縫)鰭片湍流強(qiáng)度分布更為均勻。通過統(tǒng)計(jì)湍流強(qiáng)度大于0.7的區(qū)域，得出其湍流強(qiáng)度大于0.7的換熱面積相比于矩形鰭片提升約5％。

因此，與傳統(tǒng)鰭片布置形式相比，本發(fā)明鰭片布置形式顯著提升了鰭片管附近的傳熱系數(shù)，同時(shí)增大了鰭片管換熱面積，改善了鰭片管的換熱特性，使得鰭片管傳熱效率得到了提高。