本發(fā)明屬于傳熱學(xué)的工程應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種傳熱元件的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

換熱器作為熱量傳遞和交換的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于能源、動力、石油、化工、冶金、輕工等行業(yè)中。它不僅是工藝流程中必不可少的中間設(shè)備，也是開發(fā)二次能源實現(xiàn)余熱回收節(jié)能減排的重要設(shè)備。開發(fā)設(shè)計安全、可靠的具有高效換熱性能的強化傳熱元件對節(jié)省換熱器金屬消耗、投資和空間而言是非常重要的。

內(nèi)凹式螺旋波紋管傳熱元件作為強化傳熱元件應(yīng)用于換熱設(shè)備已在國外應(yīng)用多年。通過對光管進(jìn)行沖壓、軋制等工藝加工，使管子壁面具有波紋形式，不僅增加了傳熱面積，而且對管內(nèi)、外的流體增加了擾動，提高了換熱系數(shù)。

采用內(nèi)凹式螺旋波紋管傳熱元件取代普通光管是一種雙側(cè)強化傳熱方法，可以使管子兩側(cè)的流體產(chǎn)生有利于換熱的二次流和螺旋流，使雙側(cè)換熱效果均得到提高。

目前常見的內(nèi)凹式螺旋波紋管傳熱元件均為沖壓、軋制而成，其特點是加工工藝簡單成本較低，雖然在增加換熱面積和提高換熱性能方面也有明顯的效果。但采用內(nèi)凹式螺旋波紋管有以下不足之處：1、加工過程中容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，成型后需要進(jìn)一步無損探傷和水壓檢測，且無法滿足在高壓流體工作條件下長期穩(wěn)定運行。2、內(nèi)凹波結(jié)使管內(nèi)流通面積大大縮減，造成管內(nèi)流體的阻力提升非常明顯，增加了泵功的損耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的要解決現(xiàn)有內(nèi)凹式螺旋波紋管傳熱元件存在無法滿足在高壓流體工作條件下長期穩(wěn)定運行，及使管內(nèi)流通面積大大縮減的問題，而提供一種耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的制備方法及應(yīng)用。

一種耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的制備方法是按以下步驟完成的：

利用厚壁光管在模具中液壓漲型而成，液壓漲型時間為45s，即得到耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件；在液壓漲型過程中合模力隨時間逐級增加，設(shè)時間為t，單位為s，合模力為F，單位為kN，當(dāng)0≤t＜10s時，F(xiàn)＝450t；當(dāng)10≤t＜40s時，F(xiàn)＝500t/3+8500/3；當(dāng)40≤t≤45s時，F(xiàn)＝9500；在液壓漲型過程中內(nèi)壓力隨時間逐級增加，設(shè)時間為T，單位為s，合模力為P，單位為MPa，當(dāng)0≤T＜10s時，P＝12T；當(dāng)10≤t＜40s時，P＝6T+60；當(dāng)40≤t≤45s時，P＝300；

所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件為外脹式螺旋波紋管，所述外脹式螺旋波紋管由直管段和外凸波結(jié)組成，所述外凸波結(jié)圍繞直管段呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)遞進(jìn)，所述外凸波結(jié)的波結(jié)倒角為2.5mm，所述外凸波結(jié)的波結(jié)高度為0.5mm～2.5mm，所述外凸波結(jié)的波結(jié)間距為10mm～30mm，所述外凸波結(jié)的波結(jié)寬度為8mm。

本發(fā)明原理：所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件，其螺旋波紋壁面使管內(nèi)外流體產(chǎn)生與流向垂直的橫向脫渦流和與流向相同的縱向螺旋流，在兩種渦流耦合作用下破壞了邊界層的發(fā)展并且增加了近壁面處流體與核心流體之間的熱量和質(zhì)量交換，實現(xiàn)強化換熱作用。

一種耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的應(yīng)用，耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件作為傳熱元件，應(yīng)用于管殼式換熱器或套管式換熱器中。

本發(fā)明優(yōu)點：一、本發(fā)明耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件是一種高效換熱元件，可以提高換熱器的換熱系數(shù)，從而縮減換熱器的金屬消耗和經(jīng)濟投資，并且縮減其占地空間；二、該換熱元件在液壓漲型過程中合模力和內(nèi)壓力隨時間逐級增加，這種合模力加載方式僅在整形階段施加最大合模力，有效避免模具長時間承受較大應(yīng)力作用，避免大批量生產(chǎn)過程中引起模具疲勞破壞，不僅外脹式螺旋波紋管最大整形壓力可達(dá)290MPa，且加工成形后無需額外的探傷、水壓等測試檢驗，具有耐高壓的特性，可以在高溫高壓流體環(huán)境中安全使用；三、在液壓漲型過程中，通過油向壁面施加的力比較平均，所以成形后的壁面比較光滑，由于倒角設(shè)計使螺旋波紋壁面具有良好的流線型，可以極大的減少流動阻力的增加；且外脹式螺旋波紋管會使內(nèi)、外兩側(cè)流體產(chǎn)生垂直于流向的二次流和縱向螺旋流動，在兩種渦流耦合作用下破壞邊界層的發(fā)展并且增加了近壁面流體與核心流體之間的熱質(zhì)交換，實現(xiàn)強化換熱作用。壁面的流線型設(shè)計在保證傳熱性能提高的同時，極大的降低了阻力性能的提升，并且對防止煙氣內(nèi)的灰塵堆積有明顯效果。四、通過螺旋波紋管內(nèi)高壓成形后變形區(qū)壁厚分布曲線相對均勻，最大減薄率不高于22％，具有耐高壓的特點，加工成形后無需額外的探傷、水壓等測試檢驗，可適用于如核電、化工、電站系統(tǒng)等高溫高壓工作環(huán)境。五、本發(fā)明耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件作為管殼式換熱器的傳熱元件應(yīng)用于核電氣-汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，單管換熱性能可達(dá)光管的1.7倍，綜合傳熱性能最大可達(dá)1.267。

附圖說明

圖1是具體實施方式一所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是實施例1所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的局部放大圖，圖中未變形區(qū)表示的直管段1，圖中變形區(qū)表示外凸波結(jié)2，圖中0-30表示檢測點；

圖3是實施例1所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的壁厚變化曲線；

圖4是實施例2耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的管內(nèi)高溫流體和管外低溫流體的流動示意圖；

圖5是圖4耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的外凸波結(jié)處局部放大示意圖；

圖6是圖4耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的外凸波結(jié)處徑向剖視圖；

圖7是波結(jié)間距-傳熱性能增量曲線圖；

圖8是波結(jié)間距-阻力性能增量曲線圖；

圖9是波結(jié)間距-綜合傳熱因子曲線圖；

圖10是波結(jié)高度-傳熱性能增量曲線圖；

圖11是波結(jié)高度-阻力性能增量曲線圖；

圖12是波結(jié)高度-綜合傳熱因子曲線圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式是一種耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的制備方法是按以下步驟完成的：

利用厚壁光管在模具中液壓漲型而成，液壓漲型時間為45s，即得到耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件；在液壓漲型過程中合模力隨時間逐級增加，設(shè)時間為t，單位為s，合模力為F，單位為kN，當(dāng)0≤t＜10s時，F(xiàn)＝450t；當(dāng)10≤t＜40s時，F(xiàn)＝500t/3+8500/3；當(dāng)40≤t≤45s時，F(xiàn)＝9500；在液壓漲型過程中內(nèi)壓力隨時間逐級增加，設(shè)時間為T，單位為s，合模力為P，單位為MPa，當(dāng)0≤T＜10s時，P＝12T；當(dāng)10≤t＜40s時，P＝6T+60；當(dāng)40≤t≤45s時，P＝300；

所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件為外脹式螺旋波紋管，所述外脹式螺旋波紋管由直管段1和外凸波結(jié)2組成，所述外凸波結(jié)2圍繞直管段1呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)遞進(jìn)，所述外凸波結(jié)2的波結(jié)倒角3為2.5mm，所述外凸波結(jié)2的波結(jié)高度4為0.5mm～2.5mm，所述外凸波結(jié)2的波結(jié)間距5為10mm～30mm，所述外凸波結(jié)2的波結(jié)寬度6為8mm。

本實施方式原理：所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件，其螺旋波紋壁面使管內(nèi)外流體產(chǎn)生與流向垂直的橫向脫渦流和與流向相同的縱向螺旋流，在兩種渦流耦合作用下破壞了邊界層的發(fā)展并且增加了近壁面處流體與核心流體之間的熱量和質(zhì)量交換，實現(xiàn)強化換熱作用。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一的不同點是：所述厚壁光管的壁厚為2mm，管內(nèi)徑為20mm。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同點是：所述厚壁光管的材質(zhì)為304不銹鋼。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式四：一種耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的應(yīng)用，耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件作為傳熱元件，應(yīng)用于管殼式換熱器或套管式換熱器中。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式四的不同點是：所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件作為管殼式換熱器的傳熱元件，應(yīng)用于核電氣-汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中。其他與具體實施方式四相同。

采用下述試驗驗證本發(fā)明效果

實施例1：一種耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的制備方法是按以下步驟完成的：

利用厚壁光管在模具中液壓漲型而成，液壓漲型時間為45s，即得到耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件；在液壓漲型過程中合模力隨時間逐級增加，設(shè)時間為t，單位為s，合模力為F，單位為kN，當(dāng)0≤t＜10s時，F(xiàn)＝450t；當(dāng)10≤t＜40s時，F(xiàn)＝500t/3+8500/3；當(dāng)40≤t≤45s時，F(xiàn)＝9500；在液壓漲型過程中內(nèi)壓力隨時間逐級增加，設(shè)時間為T，單位為s，合模力為P，單位為MPa，當(dāng)0≤T＜10s時，P＝12T；當(dāng)10≤t＜40s時，P＝6T+60；當(dāng)40≤t≤45s時，P＝300；

所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件為外脹式螺旋波紋管，所述外脹式螺旋波紋管由直管段1和外凸波結(jié)2組成，所述外凸波結(jié)2圍繞直管段1呈螺旋狀旋轉(zhuǎn)遞進(jìn)，所述外凸波結(jié)2的波結(jié)倒角3為2.5mm，所述外凸波結(jié)2的波結(jié)高度4為2mm，所述外凸波結(jié)2的波結(jié)間距5為20mm，所述外凸波結(jié)2的波結(jié)寬度6為8mm。

實施例1所述厚壁光管的壁厚為2mm，管內(nèi)徑為20mm。

實施例1所述厚壁光管的材質(zhì)為304不銹鋼。

對厚壁光管進(jìn)行精確檢測，可知厚壁光管的壁厚為2.016mm，對外脹式螺旋波紋管進(jìn)行精確檢測可知，如圖2和圖3所示，圖2是實施例1所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的局部放大圖，圖中未變形區(qū)表示的直管段1，圖中變形區(qū)表示外凸波結(jié)2，圖中0-30表示檢測點；圖3是實施例1所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的壁厚變化曲線；通過圖3可知，實施例1所述耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的最小壁厚為1.580mm，位于變形區(qū)和未變形區(qū)的過渡區(qū)域，最大減薄率為21.63％。

實施例2：一種耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的應(yīng)用，耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件作為管殼式換熱器的傳熱元件，應(yīng)用于核電氣-汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中。

所述的耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件是實施例2制備而成的。

耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的管內(nèi)介質(zhì)為高溫氣冷堆一次作功后的氦氣乏汽，溫度為571℃，壓力為2.9MPa，流速為10m/s；耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件管外介質(zhì)為壓水堆高汽輪機出口的飽和水蒸汽，溫度182.5℃，壓力1.06MPa，流速為12.5m/s。

圖4是實施例2耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的管內(nèi)高溫流體和管外低溫流體的流動示意圖；圖5是圖4耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的外凸波結(jié)處局部放大示意圖；圖6是圖4耐高壓外脹式螺旋波紋管強化傳熱元件的外凸波結(jié)處徑向剖視圖；

通過檢測可知單管換熱性能可達(dá)光管的1.7倍，綜合傳熱性能最大可達(dá)1.28。

實施例3：本實施例與實施例1的不同點是：所述外凸波結(jié)2的波結(jié)間距5依次為10mm、15mm、25mm和30mm。其他與實施例1相同。

在相同波結(jié)高度、波結(jié)寬度和波結(jié)倒角下，檢測波結(jié)間距的不同對換熱元件性能的影響，如圖7至圖9所示，圖7是波結(jié)間距-傳熱性能增量曲線圖，圖8是波結(jié)間距-阻力性能增量曲線圖，圖9是波結(jié)間距-綜合傳熱因子曲線圖，由圖7和圖8可知：隨著波結(jié)間距的增加，換熱性能和阻力性能都逐漸下降；由圖9可知：隨著波結(jié)間距的增加，綜合傳熱性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，并在波結(jié)間距為20mm時達(dá)到最大為1.267。

實施例4：本實施例與實施例1的不同點是：所述外凸波結(jié)2的波結(jié)高度4為0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.5mm。其他與實施例1相同。

在相同波結(jié)間距、波結(jié)寬度和波結(jié)倒角下，檢測波結(jié)高度的不同對換熱元件性能的影響，如圖10至圖12所示，圖10是波結(jié)高度-傳熱性能增量曲線圖，圖11是波結(jié)高度-阻力性能增量曲線圖，圖12是波結(jié)高度-綜合傳熱因子曲線圖，由圖10和圖11可知：隨著波結(jié)高度的增加，換熱性能和阻力性能都逐漸增加；由圖12可知：隨著波結(jié)高度的增加，綜合傳熱性能呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，并在波結(jié)高度為1.5mm時達(dá)到最大為1.267。