本發(fā)明屬于工程熱物理熱交換器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器，該換熱管是可應(yīng)用于管殼式熱交換器的換熱管，改善換熱管繞流尾流流場(chǎng)，降低換熱管所受阻力，減少因?yàn)闇u脫落帶來(lái)的換熱管振動(dòng)，減小渦脫落頻率，可以更合理的增加流體流速，提高對(duì)流換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱器換熱。

背景技術(shù)：

流體橫掠圓柱時(shí)，在圓柱背面兩側(cè)將產(chǎn)生周期性交替脫落的反對(duì)稱漩渦尾流，稱為卡門渦街。圓柱表面受力的振蕩與尾跡中的渦脫落現(xiàn)象密切相關(guān)，漩渦的交替產(chǎn)生和脫落使圓柱的兩側(cè)產(chǎn)生垂直于流向周期變化的激振力，導(dǎo)致圓柱發(fā)生振動(dòng)。近年來(lái)隨著能源與動(dòng)力工程領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域和核工程領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)鈍體誘導(dǎo)振動(dòng)的控制問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注并提出了更高的要求。

在許多與流體有關(guān)的機(jī)械工程中，誘導(dǎo)振動(dòng)是一個(gè)涉及安全性的重大問(wèn)題。管殼式熱交換器中一旦換熱管發(fā)生振動(dòng)，就可能導(dǎo)致?lián)Q熱管與換熱管、換熱管與折流板之間的碰撞、磨損等問(wèn)題。如何降低振動(dòng)在換熱器向大容量、高參數(shù)化發(fā)展，同時(shí)為了強(qiáng)化傳熱和減少結(jié)垢，流體流速普遍提高的現(xiàn)在，顯得尤其重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器，其中通過(guò)對(duì)換熱管中關(guān)鍵的前置和/或后置隔板的結(jié)構(gòu)(尤其是形狀參數(shù))及設(shè)置方式等進(jìn)行改進(jìn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠有效解決管殼式熱交換器中由于流體流速提高引起的換熱管振動(dòng)和換熱管所受阻力增加的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)管殼式熱交換器的降阻減振；該換熱管及采用該換熱管的管殼式熱交換器非常適用于高流速的流體，適用的流速范圍為0.5m/s≤v≤5m/s，適用的雷諾數(shù)Re(Reynolds數(shù):Re＝U×D/υ,U為來(lái)流速度，D為D為換熱管的直徑(即外徑)，υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。)范圍為10³≤Re≤10⁵。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種換熱管，其特征在于，該換熱管包括圓管(2)，在該圓管(2)上設(shè)置有前置隔板(1)和/或后置隔板(3)，其中，以垂直于換熱管來(lái)流方向、且經(jīng)過(guò)所述圓管(2)的中心軸線為參考界面將所述圓管(2)分為兩個(gè)區(qū)域，記這兩個(gè)區(qū)域中先與來(lái)流接觸的一個(gè)區(qū)域?yàn)榍爸脜^(qū)域，另一個(gè)區(qū)域即為后置區(qū)域，則所述前置隔板(1)位于所述圓管(2)的所述前置區(qū)域上，并且所述前置隔板(1)所在平面與所述來(lái)流方向相平行；所述后置隔板(3)位于所述圓管(2)的所述后置區(qū)域上，并且所述后置隔板(3)所在平面與所述來(lái)流方向相平行；

記該圓管(2)的外徑為D，并且，記所述前置隔板(3)和后置隔板(1)在垂直于所述圓管(2)中心軸線的平面上的投影長(zhǎng)度均為h，則所述h滿足：0≤h≤0.6×D；

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述前置隔板(1)為前緣形狀為波浪狀、鋸齒狀或梯形形狀的平板；所述后置隔板(3)為尾緣形狀為波浪狀、鋸齒狀或梯形形狀的平板。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述前置隔板(1)為端面截面形狀為矩形、三角形、梯形或圓弧形的平板；所述后置隔板(3)為端面截面形狀為矩形、三角形、梯形或圓弧形的的平板。

作為本發(fā)明的另外一種布置方案，所述前置隔板(1)與所述圓管(2)之間的接觸線，距經(jīng)過(guò)所述圓管(2)的中心軸線、且與所述來(lái)流方向相平行的平面的距離q1滿足0≤q1≤0.2×D；所述后置隔板(3)與所述圓管(2)之間的接觸線，距經(jīng)過(guò)所述圓管(2)的中心軸線、且與所述來(lái)流方向相平行的平面的距離q2滿足0≤q2≤0.2×D。

按照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了一種采用上述換熱管的管殼式熱交換器，其特征在于，該管殼式熱交換器包括上述換熱管。

通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可改善換熱管繞流尾流流場(chǎng)，降低換熱管所受阻力，減少因?yàn)闇u脫落帶來(lái)的換熱管振動(dòng)，減小渦脫落頻率，可以更合理的增加流體流速，提高對(duì)流換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱器換熱。流體流經(jīng)前置隔板時(shí)產(chǎn)生的湍流邊界層會(huì)加快圓柱下游分離剪切層的轉(zhuǎn)捩，流體流經(jīng)圓柱時(shí)脫落渦的分離點(diǎn)向下游移動(dòng)，導(dǎo)致尾跡區(qū)的寬度變窄，從而使圓柱阻力下降。尤其是通過(guò)后置隔板的合理設(shè)置，本發(fā)明中的換熱管可將換熱管尾流區(qū)剪切層相互作用推遲至下游，并且改變換熱管壁面的靜壓分布，有效的降低了升力系數(shù)波動(dòng)幅值，可高效的降低換熱管的誘導(dǎo)振動(dòng)。

隔板的長(zhǎng)度參數(shù)h推薦在0到0.6×D之間選取，因?yàn)楫?dāng)隔板長(zhǎng)度參數(shù)h較小時(shí)，后置隔板既可以起到阻斷尾流區(qū)剪切層相互作用,將其推遲至下游,以減小換熱管表面上的壓力脈動(dòng),實(shí)現(xiàn)降阻減振的目的，又能避免當(dāng)隔板長(zhǎng)度參數(shù)h過(guò)大，隔板長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致?lián)Q熱管尾緣脫落渦沖擊在隔板上，增大了換熱管升力系數(shù)的振動(dòng)幅值，這種對(duì)于降阻減振不利的情況的發(fā)生。

對(duì)于在換熱管加后置隔板目前仍然鮮有報(bào)道，原因之一是雖然在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中可以測(cè)量出加后置隔板的換熱管的壁面的壓力分布，但是由于在高雷諾數(shù)下因?yàn)闇u脫落引起的升力系數(shù)波動(dòng)頻率較快，實(shí)驗(yàn)儀器較難捕捉，故實(shí)驗(yàn)很難對(duì)換熱管加后置隔板的減振效果進(jìn)行研究。而本發(fā)明則是通過(guò)三維大渦數(shù)值模擬準(zhǔn)確模擬高雷諾數(shù)下流體流動(dòng)狀態(tài)，使得換熱管加后置隔板的降阻減振效果可以得以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)并進(jìn)行研究。

具體說(shuō)來(lái)，本發(fā)明能夠取得以下有益效果：

1.本發(fā)明的前置隔板和后置隔板的形狀的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)采用矩形平板(或是具有波浪狀、鋸齒狀、梯形狀等不同形式的前緣或尾緣形狀的平板，本發(fā)明中的隔板的長(zhǎng)度參數(shù)h(當(dāng)隔板為具有有波浪狀、鋸齒狀、梯形狀等不同形式的前緣或尾緣形狀的平板時(shí)，h表示隔板頂端在垂直于圓管中心軸線的平面上的投影長(zhǎng)度)在0到0.6×D之間，根據(jù)相應(yīng)的模擬計(jì)算驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)有效的降低換熱管所受阻力和升力，實(shí)現(xiàn)更好的降阻減振效果，使換熱管能在更高的流速下使用，流速的增加能更好的強(qiáng)化換熱，所以具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明可根據(jù)換熱管的直徑D的大小對(duì)隔板的長(zhǎng)度參數(shù)h作出相應(yīng)的放大或縮小，使得所設(shè)計(jì)的后置短隔板與換熱管更為匹配。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中帶前置隔板和后置隔板的換熱管整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是帶前置隔板和后置隔板的換熱管尺寸示意圖；圖中D為換熱管的直徑(即外徑)，前置隔板(1)和后置隔板(3)的長(zhǎng)度相等為h，t為隔板的厚度；

圖3為只帶前置隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；

圖4為只帶后置隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；

圖5為前后都帶隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；

圖6是圖1中本發(fā)明換熱管帶不同形式的前緣和/或尾緣隔板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是圖1中本發(fā)明換熱管帶不同端面截面形狀的隔板結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是圖1中本發(fā)明換熱管的隔板位置平移后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是換熱管時(shí)均阻力系數(shù)圖；

圖10是換熱管的升力系數(shù)頻幅分析曲線圖；其中，圖10A對(duì)應(yīng)Re＝4×10³，圖10B對(duì)應(yīng)Re＝2×10⁴，圖10C對(duì)應(yīng)Re＝3.6×10⁴；

圖中各標(biāo)記的含義如下：1為前置隔板，2為圓管，3為后置隔板，4為管殼式換熱器中的折流板。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

如圖1與圖2所示，本發(fā)明中的換熱管，包括圓管(2)、以及與該圓管(2)相連的前置隔板(1)和后置隔板(3)，其中，以垂直于換熱管來(lái)流方向、且經(jīng)過(guò)圓管(2)的中心軸線為參考界面將圓管(2)分為兩個(gè)區(qū)域，記這兩個(gè)區(qū)域中先與來(lái)流接觸的一個(gè)區(qū)域?yàn)榍爸脜^(qū)域，另一個(gè)區(qū)域即為后置區(qū)域，前置隔板(1)位于所述圓管(2)的所述前置區(qū)域上，并且所述前置隔板(1)所在平面與所述來(lái)流方向相平行；后置隔板(3)位于所述圓管(2)的所述后置區(qū)域上，并且所述后置隔板(3)所在平面與所述來(lái)流方向相平行；

記所述前置隔板(3)和后置隔板(1)在垂直于所述圓管(2)中心軸線的平面上的投影長(zhǎng)度均為h，則所述h滿足：0≤h≤0.6×D；

本發(fā)明是根據(jù)換熱管的圓管2的結(jié)構(gòu)參數(shù)D調(diào)整后置隔板(1)的長(zhǎng)度參數(shù)h(h在0到0.6×D之間)，設(shè)計(jì)出一種新型換熱管，其中后置隔板(1)和前置隔板(3)的厚度參數(shù)t可以根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，對(duì)換熱管減振降阻影響不大。

圖3為只帶前置隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；如圖所示，由于折流板(4)的存在，使得換熱管的來(lái)流在上下兩個(gè)方向交替變化，如將本專利應(yīng)用到管殼式換熱器中，應(yīng)采用如圖所示構(gòu)造，以避免隔板與折流板接觸處的流體泄漏。

圖4為只帶后置隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；如圖所示，由于折流板(4)的存在，使得換熱管的來(lái)流在上下兩個(gè)方向交替變化，如將本專利應(yīng)用到管殼式換熱器中，應(yīng)采用如圖所示構(gòu)造，以避免隔板與折流板接觸處的流體泄漏。

圖5為前后都帶隔板的換熱管在管殼式換熱器中安裝示意圖；如圖所示，由于折流板(4)的存在，使得換熱管的來(lái)流在上下兩個(gè)方向交替變化，如將本專利應(yīng)用到管殼式換熱器中，應(yīng)采用如圖所示構(gòu)造，以避免隔板與折流板接觸處的流體泄漏。

圖6是圖1中本發(fā)明換熱管帶不同形式的前緣和/或尾緣隔板的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖(1)為常規(guī)矩形前緣和/或尾緣隔板，圖(2)、圖(3)為鋸齒狀隔板前緣和/或尾緣隔板，圖(4)、圖(5)為梯形前緣和/或尾緣隔板，圖(6)、圖(7)波浪狀前緣和/或尾緣隔板。

圖7是圖1中本發(fā)明換熱管帶不同端面截面形狀的隔板結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖(1)為常規(guī)矩形端面截面的隔板，圖(2)為等腰梯形端面截面的隔板、圖(3)為非等腰梯形端面截面的隔板、圖(4)為等邊三角形端面截面的隔板、圖(5)為非等邊三角形端面截面的隔板、圖(6)圓弧形端面截面的隔板、圖(7)任意弧形端面截面的隔板。

圖8是將圖1中本發(fā)明換熱管的隔板位置平移后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中將隔板固定位置進(jìn)行了平移，平移距離為q。

圖9為不同雷諾數(shù)下?lián)Q熱管時(shí)均阻力系數(shù)圖。后置隔板的存在，在不同雷諾數(shù)下均明顯的降低了換熱管所受的阻力，阻力系數(shù)降低最大可以達(dá)到35％。其原因是因?yàn)殡S著后置隔板長(zhǎng)度的增加，換熱管壁面負(fù)壓區(qū)的靜壓明顯上升，使得換熱管受到的壓差阻力減小，總的阻力系數(shù)減小。

圖10為換熱管的升力系數(shù)頻幅分析曲線圖。其中，圖10A對(duì)應(yīng)Re＝4×10³，圖10B對(duì)應(yīng)Re＝2×10⁴，圖10C對(duì)應(yīng)Re＝3.6×10⁴；后置隔板的存在，在不同雷諾數(shù)下均明顯的降低了換熱管所受的升力波動(dòng)，升力系數(shù)幅值降低最大可以達(dá)到50％。其原因是因?yàn)殡S著隔板長(zhǎng)度的增加，對(duì)于換熱管上部因?yàn)檫吔鐚臃蛛x而產(chǎn)生的高負(fù)壓區(qū)，后置短隔板的存在使得該區(qū)域負(fù)壓明顯變小，這是使換熱管升力系數(shù)波動(dòng)幅值變小的重要原因。升力系數(shù)幅值最大值對(duì)應(yīng)的頻率為換熱管尾緣渦脫落頻率，后置隔板的存在，也減小了換熱管尾緣渦脫落頻率，這對(duì)于降低換熱管振動(dòng)也是有利的。

本發(fā)明中的換熱管，在隔板的長(zhǎng)度參數(shù)h不變情況下，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況調(diào)節(jié)隔板的厚度參數(shù)；例如，隔板厚度可根據(jù)熱交換器內(nèi)換熱管排布的實(shí)際情況選取，設(shè)計(jì)出與換熱管更為匹配的后置隔板。本發(fā)明中的換熱管，其圓管、以及隔板(包括前置隔板和后置隔板)，既可按相關(guān)工藝分別制造進(jìn)行加工，檢驗(yàn)合格再組裝使用，也可一體成型。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。