本發(fā)明涉及換熱器技術領域，特別是涉及一種碟形換熱管。

背景技術：

換熱管作為一種進行兩種熱交換介質(zhì)不發(fā)生之間接觸情況下進行熱量交換的設備，廣泛應用于化工、能源、動力領域中。為了提高工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟性、增強設備的安全可靠性，對換熱管進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常必要。

目前工業(yè)上廣泛應用的換熱管多是圓形和橢圓形，其中圓形換熱管便于加工且成本較低，而橢圓形換熱管相較圓形換熱管有更低的流動阻力，更高的換熱效率且更便于布置。但圓形和橢圓形換熱管流動阻力均有下降的空間，背流面也均易形成較大尾渦，造成管外流體的沉積，且換熱管在運行中磨損嚴重，大大影響了換熱管的使用安全性與壽命。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種碟形換熱管，以解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，該碟形換熱管的結(jié)構(gòu)設置能夠有效提高換熱管傳熱綜合特性，既能滿足加工、安裝成本低的需求，又能有效地加強外部流體的流動效果，提升換熱管換熱性能，減少對外部流體對換熱器的磨損與外部流體的沉積，整體提高換熱管的安全性與經(jīng)濟性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：本發(fā)明提供一種碟形換熱管，包括首尾連接設置的上管壁和下管壁，所述上管壁和下管壁均包括依次連接的前端、中端和末端，所述上管壁和下管壁均呈弧形；所述上管壁和下管壁的前端為兩條第一圓弧，兩條所述第一圓弧相交形成尖端，所述上管壁和下管壁的末端為兩條第二圓弧，兩條所述第二圓弧相交形成尖端。

可選的，所述上管壁與所述下管壁對稱設置。

可選的，所述前端、中端與末端之間采用平滑過渡連接。

可選的，所述第一圓弧與所述第二圓弧相對于所述換熱管中心對稱。

可選的，所述上管壁和下管壁的中端為兩條第三圓弧，兩條所述第三圓弧是半徑為r的兩個圓的一部分。

可選的，所述上管壁的第三圓弧與所述下管壁的第三圓弧所在的兩個圓其圓心距的范圍為r～2r。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術取得了以下技術效果：

1、碟形換熱管前端為兩條圓弧相交的尖端，有利于減小管外流體的流動損失；

2、碟形換熱管中端為兩條圓弧，不僅加強了換熱器的換熱效果，還有效地減少管外流體流動的壓降，降低外部流體流動阻力損失；

3、碟形換熱管末端為兩條圓弧相交的尖端，減少管外流場的回流區(qū)，減輕換熱管的磨損與管外流體的沉積。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明中碟形換熱管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中碟形換熱管管外流體速度分布云圖；

圖3為橢圓形換熱管管外流體速度分布云圖；

圖4為圓形換熱管管外流體速度分布云圖；

圖5為本發(fā)明碟形換熱管管外流體流線圖；

圖6為橢圓形換熱管管外流體流線圖；

圖7為圓形換熱管管外流體流線圖；

圖8為本發(fā)明碟形換熱管管外流體壓強分布云圖；

圖9為橢圓形換熱管管外流體壓強分布云圖；

圖10為圓形換熱管管外流體壓強分布云圖；

圖11為碟形、橢圓形以及圓形換熱管管外流體壓強變化對比圖；

其中，1前端；2中端；3末端。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的目的是提供一種碟形換熱管，以解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，該碟形換熱管的結(jié)構(gòu)設置能夠有效提高換熱管傳熱綜合特性，既能滿足加工、安裝成本低的需求，又能有效地加強外部流體的流動效果，提升換熱管換熱性能，減少對外部流體對換熱器的磨損與外部流體的沉積，整體提高換熱管的安全性與經(jīng)濟性。

本發(fā)明的碟形換熱管，包括首尾連接設置的上管壁和下管壁，上管壁和下管壁均包括依次連接的前端、中端和末端，上管壁和下管壁均呈弧形；上管壁和下管壁的前端為兩條第一圓弧，兩條第一圓弧相交形成尖端，上管壁和下管壁的末端為兩條第二圓弧，兩條第二圓弧相交形成尖端。

該碟形換熱管，其上管壁和下管壁首尾相連形成完整的換熱管，其中前端和末端均為由圓弧相交形成的尖端，在管外流體經(jīng)過換熱管時能夠有效減少流體阻力，降低管外流體的流動損失。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

請參考圖1至11，其中，圖1為本發(fā)明中碟形換熱管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中碟形換熱管管外流體速度分布云圖；圖3為橢圓形換熱管管外流體速度分布云圖；圖4為圓形換熱管管外流體速度分布云圖；圖5為本發(fā)明碟形換熱管管外流體流線圖；圖6為橢圓形換熱管管外流體流線圖；圖7為圓形換熱管管外流體流線圖；圖8為本發(fā)明碟形換熱管管外流體壓強分布云圖；圖9為橢圓形換熱管管外流體壓強分布云圖；圖10為圓形換熱管管外流體壓強分布云圖；圖11為碟形、橢圓形以及圓形換熱管管外流體壓強變化對比圖。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種碟形換熱管，包括首尾連接設置的上管壁和下管壁，上管壁和下管壁均包括依次連接的前端1、中端2和末端3，上管壁和下管壁均呈弧形；上管壁和下管壁的前端1為兩條第一圓弧，兩條第一圓弧相交形成尖端，上管壁和下管壁的末端3為兩條第二圓弧，兩條第二圓弧相交形成尖端。

上管壁與下管壁對稱設置；前端1、中端2與末端3之間采用平滑過渡連接，保證管外流體的流動順暢度；第一圓弧與第二圓弧相對于所述換熱管中心對稱。

上管壁和下管壁的中端2為兩條第三圓弧，兩條第三圓弧是半徑為r的兩個圓的一部分，上管壁的第三圓弧與下管壁的第三圓弧所在的兩個圓其圓心距的范圍為r～2r，且兩個圓的圓心相對于管壁前端1與末端3的連線對稱，設置第三圓弧所在的兩個圓的圓心距，保證上下管壁之間的間隙處于一個較小的弧度內(nèi)，從而降低對管外流體的流動干擾，既能夠減少流體損失還能夠降低流體阻力。

本發(fā)明中的碟形換熱管，能夠減少換熱管背流面的回流區(qū)，降低管外流體(尤其灰粉顆粒)與換熱管背流面的接觸和流體的沉積，使得換熱管積灰、磨損情況減輕；降低流動阻力損失，減少管外流體的壓降；增加換熱管的換熱面積，提高換熱管的傳熱效率。

本發(fā)明中的碟形換熱管改變以往的圓形、橢圓形換熱管，形成前端1為兩條圓弧相交的尖端，中端2為兩條等半徑的圓弧，末端3為兩條圓弧的尖端。

圖1為本發(fā)明碟形換熱管的結(jié)構(gòu)圖，應用fluent軟件對傳統(tǒng)圓形換熱管、橢圓形換熱管及本發(fā)明中的碟形換熱管的外部流體流動進行數(shù)值模擬。對本發(fā)明中的碟形換熱管以及以往的圓形和橢圓形換熱管，在相同來流速度和工作環(huán)境下的流場及流動特性進行比較。

外部流體流速為6m/s，沿x軸正向流動，所建模型中，碟形、橢圓形以及圓形換熱管的面積均相同，計算所得換熱周長依次為188.4mm、143.0mm、135.6mm。

根據(jù)圖2所示，本實施例的碟形換熱管背流面有較小的低速區(qū)。由圖3、圖4可見，傳統(tǒng)的橢圓形、圓形換熱管背流面低速區(qū)較大。例如將圖2中碟形換熱管管外流體的速度分布云圖與圖4中的圓形換熱管相比較，氣流流動過程中，在入口階段，壓強幾乎沒有變化；隨著流動的進行，管外流通截面減小，壓強逐漸降低，并于換熱管最寬的側(cè)面區(qū)域處降至最低；隨著流動逐漸偏離換熱管最寬的側(cè)面區(qū)域，壓強又將逐漸增大，并最終趨于平緩。碟形換熱管管外流通截面最小處的壓強為-17.3pa，較圓管(-55.5pa)增大了38.2pa，明顯降低換熱管側(cè)面區(qū)域處的能量損失。此外，碟形換熱管兩側(cè)繞流的負壓區(qū)面積較圓管也明顯縮小，經(jīng)統(tǒng)計該負壓面積為圓形換熱管的77％。可見碟形換熱管可以明顯減小換熱管側(cè)面區(qū)域處的負壓區(qū)和壓降，從而減少能量損失，并減輕管外流體對換熱管管壁的沖擊及磨損。

由圖5、圖6、圖7的流線圖可以清晰的看到本實施例的碟形換熱管尾部基本沒有回流區(qū)，而橢圓形換熱管則出現(xiàn)較小的回流區(qū)，圓形換熱管尾部回流區(qū)最大。例如由圖5中的碟形換熱管的管外流體流線圖與圖7中的圓形換熱管的管外流體流線圖相比較，兩種換熱管管外流體的最大流動速度均位于計算域內(nèi)的最小管外流通截面處，其中圓形換熱管的最大速度為7.83m/s，碟形換熱管的最大速度為6.77m/s。據(jù)此可知，碟形換熱管管外流體的最大速度較圓管降低了13.54％，在相同流速設計取值的范圍內(nèi)可布置更多的受熱面。

同時，圓形換熱管的背流面存在部分氣流沿來流方向的反向(回流)運動，即尾渦，其最大回流速度約為-0.05m/s；而碟形換熱管背流面無氣流反向運動，即無尾渦。因此，碟形換熱管可以明顯減少背流面的回流，降低尾渦卷吸能力，從而減輕顆粒在背流面的積灰。

圖8、圖9、圖10分別為實施例碟形換熱管、傳統(tǒng)橢圓形換熱管和傳統(tǒng)圓形換熱管的壓強分布云圖，可以看出相較于傳統(tǒng)的橢圓形及圓形換熱管，本實施例中的碟形換熱管進出口壓降很小，即管外流體的流動阻力更小。經(jīng)過計算可得，計算工況下碟形換熱管管外流體進出口壓降為0.97pa，而傳統(tǒng)橢圓形與圓形換熱管管外流體壓降分別為1.31pa、2.55pa。圖11為本實施例的碟形、橢圓形及圓形換熱管管外流體壓強變化圖?？梢院苊黠@地看出，碟形換熱管管外流體壓強變化最小，流動特性最好。

由以上結(jié)果可知，相較于傳統(tǒng)的圓形、橢圓形換熱管，本發(fā)明的碟型換熱管得到了較好優(yōu)化，其有效地加強外部流體的流動效果，提升換熱管換熱面積及傳熱效率，減少外部流體對換熱管的磨損與管外流體的沉積。

需要說明的是，本發(fā)明實施例中的相關速度、周長以及壓強等數(shù)值只是選用了一個實驗數(shù)值作為舉例進行說明，并不代表本發(fā)明的保護范圍僅僅保護該數(shù)值內(nèi)的相關特征，只要能夠正常進行換熱管換熱，其使用速度、周長以及壓強等各個參考數(shù)值均在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

本發(fā)明中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本發(fā)明的限制。