一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的制备方法及应用 |
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| 申请号 | CN201710108315.1 | 申请日 | 2017-02-27 | 公开(公告)号 | CN106903197A | 公开(公告)日 | 2017-06-30 |
| 申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 李炳熙; 王维; 张亚宁; 陈鑫; | ||||
| 摘要 | 一种耐高压外胀式螺旋 波纹管 强化 传热 元件的制备方法及应用，它属于传热学的工程应用技术领域，具体涉及一种传热元件的制备方法及应用。本 发明 的目的要解决现有内凹式螺旋波纹管传热元件存在无法满足在高压 流体 工作条件下长期稳定运行，及使管内流通面积大大缩减的问题。制备方法：利用厚壁光管在模具中液压涨型而成；在液压涨型过程中合模 力 随时间逐级增加；在液压涨型过程中内压力随时间逐级增加。耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件作为传热元件，应用于管壳式换热器或套 管式换热器 中。本发明耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件作为管壳式换热器的传热元件应用于核电气‑汽联合循环系统中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的制备方法，其特征在于一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的制备方法是按以下步骤完成的： |
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| 说明书全文 | 一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的制备方法及应用 技术领域[0001] 本发明属于传热学的工程应用技术领域，具体涉及一种传热元件的制备方法及应用。 背景技术[0002] 换热器作为热量传递和交换的设备，被广泛应用于能源、动力、石油、化工、冶金、轻工等行业中。它不仅是工艺流程中必不可少的中间设备，也是开发二次能源实现余热回收节能减排的重要设备。开发设计安全、可靠的具有高效换热性能的强化传热元件对节省换热器金属消耗、投资和空间而言是非常重要的。 [0003] 内凹式螺旋波纹管传热元件作为强化传热元件应用于换热设备已在国外应用多年。通过对光管进行冲压、轧制等工艺加工，使管子壁面具有波纹形式，不仅增加了传热面积，而且对管内、外的流体增加了扰动，提高了换热系数。 [0004] 采用内凹式螺旋波纹管传热元件取代普通光管是一种双侧强化传热方法，可以使管子两侧的流体产生有利于换热的二次流和螺旋流，使双侧换热效果均得到提高。 [0005] 目前常见的内凹式螺旋波纹管传热元件均为冲压、轧制而成，其特点是加工工艺简单成本较低，虽然在增加换热面积和提高换热性能方面也有明显的效果。但采用内凹式螺旋波纹管有以下不足之处：1、加工过程中容易产生集中应力，成型后需要进一步无损探伤和水压检测，且无法满足在高压流体工作条件下长期稳定运行。2、内凹波结使管内流通面积大大缩减，造成管内流体的阻力提升非常明显，增加了泵功的损耗。 发明内容[0006] 本发明的目的要解决现有内凹式螺旋波纹管传热元件存在无法满足在高压流体工作条件下长期稳定运行，及使管内流通面积大大缩减的问题，而提供一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的制备方法及应用。 [0007] 一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的制备方法是按以下步骤完成的： [0008] 利用厚壁光管在模具中液压涨型而成，液压涨型时间为45s，即得到耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件；在液压涨型过程中合模力随时间逐级增加，设时间为t，单位为s，合模力为F，单位为kN，当0≤t＜10s时，F＝450t；当10≤t＜40s时，F＝500t/3+8500/3；当40≤t≤45s时，F＝9500；在液压涨型过程中内压力随时间逐级增加，设时间为T，单位为s，合模力为P，单位为MPa，当0≤T＜10s时，P＝12T；当10≤t＜40s时，P＝6T+60；当40≤t≤45s时，P＝300； [0009] 所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件为外胀式螺旋波纹管，所述外胀式螺旋波纹管由直管段和外凸波结组成，所述外凸波结围绕直管段呈螺旋状旋转递进，所述外凸波结的波结倒角为2.5mm，所述外凸波结的波结高度为0.5mm～2.5mm，所述外凸波结的波结间距为10mm～30mm，所述外凸波结的波结宽度为8mm。 [0010] 本发明原理：所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件，其螺旋波纹壁面使管内外流体产生与流向垂直的横向脱涡流和与流向相同的纵向螺旋流，在两种涡流耦合作用下破坏了边界层的发展并且增加了近壁面处流体与核心流体之间的热量和质量交换，实现强化换热作用。 [0011] 一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的应用，耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件作为传热元件，应用于管壳式换热器或套管式换热器中。 [0012] 本发明优点：一、本发明耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件是一种高效换热元件，可以提高换热器的换热系数，从而缩减换热器的金属消耗和经济投资，并且缩减其占地空间；二、该换热元件在液压涨型过程中合模力和内压力随时间逐级增加，这种合模力加载方式仅在整形阶段施加最大合模力，有效避免模具长时间承受较大应力作用，避免大批量生产过程中引起模具疲劳破坏，不仅外胀式螺旋波纹管最大整形压力可达290MPa，且加工成形后无需额外的探伤、水压等测试检验，具有耐高压的特性，可以在高温高压流体环境中安全使用；三、在液压涨型过程中，通过油向壁面施加的力比较平均，所以成形后的壁面比较光滑，由于倒角设计使螺旋波纹壁面具有良好的流线型，可以极大的减少流动阻力的增加；且外胀式螺旋波纹管会使内、外两侧流体产生垂直于流向的二次流和纵向螺旋流动，在两种涡流耦合作用下破坏边界层的发展并且增加了近壁面流体与核心流体之间的热质交换，实现强化换热作用。壁面的流线型设计在保证传热性能提高的同时，极大的降低了阻力性能的提升，并且对防止烟气内的灰尘堆积有明显效果。四、通过螺旋波纹管内高压成形后变形区壁厚分布曲线相对均匀，最大减薄率不高于22％，具有耐高压的特点，加工成形后无需额外的探伤、水压等测试检验，可适用于如核电、化工、电站系统等高温高压工作环境。五、本发明耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件作为管壳式换热器的传热元件应用于核电气-汽联合循环系统中，单管换热性能可达光管的1.7倍，综合传热性能最大可达1.267。 附图说明 [0013] 图1是具体实施方式一所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的结构示意图； [0014] 图2是实施例1所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的局部放大图，图中未变形区表示的直管段1，图中变形区表示外凸波结2，图中0-30表示检测点； [0015] 图3是实施例1所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的壁厚变化曲线； [0016] 图4是实施例2耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的管内高温流体和管外低温流体的流动示意图； [0017] 图5是图4耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的外凸波结处局部放大示意图； [0018] 图6是图4耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的外凸波结处径向剖视图； [0019] 图7是波结间距-传热性能增量曲线图； [0020] 图8是波结间距-阻力性能增量曲线图； [0021] 图9是波结间距-综合传热因子曲线图； [0022] 图10是波结高度-传热性能增量曲线图； [0023] 图11是波结高度-阻力性能增量曲线图； [0024] 图12是波结高度-综合传热因子曲线图。 具体实施方式[0025] 具体实施方式一：本实施方式是一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的制备方法是按以下步骤完成的： [0026] 利用厚壁光管在模具中液压涨型而成，液压涨型时间为45s，即得到耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件；在液压涨型过程中合模力随时间逐级增加，设时间为t，单位为s，合模力为F，单位为kN，当0≤t＜10s时，F＝450t；当10≤t＜40s时，F＝500t/3+8500/3；当40≤t≤45s时，F＝9500；在液压涨型过程中内压力随时间逐级增加，设时间为T，单位为s，合模力为P，单位为MPa，当0≤T＜10s时，P＝12T；当10≤t＜40s时，P＝6T+60；当40≤t≤45s时，P＝300； [0027] 所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件为外胀式螺旋波纹管，所述外胀式螺旋波纹管由直管段1和外凸波结2组成，所述外凸波结2围绕直管段1呈螺旋状旋转递进，所述外凸波结2的波结倒角3为2.5mm，所述外凸波结2的波结高度4为0.5mm～2.5mm，所述外凸波结2的波结间距5为10mm～30mm，所述外凸波结2的波结宽度6为8mm。 [0028] 本实施方式原理：所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件，其螺旋波纹壁面使管内外流体产生与流向垂直的横向脱涡流和与流向相同的纵向螺旋流，在两种涡流耦合作用下破坏了边界层的发展并且增加了近壁面处流体与核心流体之间的热量和质量交换，实现强化换热作用。 [0029] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述厚壁光管的壁厚为2mm，管内径为20mm。其他与具体实施方式一相同。 [0031] 具体实施方式四：一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的应用，耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件作为传热元件，应用于管壳式换热器或套管式换热器中。 [0032] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件作为管壳式换热器的传热元件，应用于核电气-汽联合循环系统中。其他与具体实施方式四相同。 [0033] 采用下述试验验证本发明效果 [0034] 实施例1：一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的制备方法是按以下步骤完成的： [0035] 利用厚壁光管在模具中液压涨型而成，液压涨型时间为45s，即得到耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件；在液压涨型过程中合模力随时间逐级增加，设时间为t，单位为s，合模力为F，单位为kN，当0≤t＜10s时，F＝450t；当10≤t＜40s时，F＝500t/3+8500/3；当40≤t≤45s时，F＝9500；在液压涨型过程中内压力随时间逐级增加，设时间为T，单位为s，合模力为P，单位为MPa，当0≤T＜10s时，P＝12T；当10≤t＜40s时，P＝6T+60；当40≤t≤45s时，P＝300； [0036] 所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件为外胀式螺旋波纹管，所述外胀式螺旋波纹管由直管段1和外凸波结2组成，所述外凸波结2围绕直管段1呈螺旋状旋转递进，所述外凸波结2的波结倒角3为2.5mm，所述外凸波结2的波结高度4为2mm，所述外凸波结2的波结间距5为20mm，所述外凸波结2的波结宽度6为8mm。 [0037] 实施例1所述厚壁光管的壁厚为2mm，管内径为20mm。 [0039] 对厚壁光管进行精确检测，可知厚壁光管的壁厚为2.016mm，对外胀式螺旋波纹管进行精确检测可知，如图2和图3所示，图2是实施例1所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的局部放大图，图中未变形区表示的直管段1，图中变形区表示外凸波结2，图中0-30表示检测点；图3是实施例1所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的壁厚变化曲线；通过图3可知，实施例1所述耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的最小壁厚为1.580mm，位于变形区和未变形区的过渡区域，最大减薄率为21.63％。 [0040] 实施例2：一种耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的应用，耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件作为管壳式换热器的传热元件，应用于核电气-汽联合循环系统中。 [0041] 所述的耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件是实施例2制备而成的。 [0042] 耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的管内介质为高温气冷堆一次作功后的氦气乏汽，温度为571℃，压力为2.9MPa，流速为10m/s；耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件管外介质为压水堆高汽轮机出口的饱和水蒸汽，温度182.5℃，压力1.06MPa，流速为12.5m/s。 [0043] 图4是实施例2耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的管内高温流体和管外低温流体的流动示意图；图5是图4耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的外凸波结处局部放大示意图；图6是图4耐高压外胀式螺旋波纹管强化传热元件的外凸波结处径向剖视图； [0044] 通过检测可知单管换热性能可达光管的1.7倍，综合传热性能最大可达1.28。 [0045] 实施例3：本实施例与实施例1的不同点是：所述外凸波结2的波结间距5依次为10mm、15mm、25mm和30mm。其他与实施例1相同。 [0046] 在相同波结高度、波结宽度和波结倒角下，检测波结间距的不同对换热元件性能的影响，如图7至图9所示，图7是波结间距-传热性能增量曲线图，图8是波结间距-阻力性能增量曲线图，图9是波结间距-综合传热因子曲线图，由图7和图8可知：随着波结间距的增加，换热性能和阻力性能都逐渐下降；由图9可知：随着波结间距的增加，综合传热性能呈现先增加后减小的趋势，并在波结间距为20mm时达到最大为1.267。 [0047] 实施例4：本实施例与实施例1的不同点是：所述外凸波结2的波结高度4为0.5mm、1.0mm、1.5mm和2.5mm。其他与实施例1相同。 [0048] 在相同波结间距、波结宽度和波结倒角下，检测波结高度的不同对换热元件性能的影响，如图10至图12所示，图10是波结高度-传热性能增量曲线图，图11是波结高度-阻力性能增量曲线图，图12是波结高度-综合传热因子曲线图，由图10和图11可知：随着波结高度的增加，换热性能和阻力性能都逐渐增加；由图12可知：随着波结高度的增加，综合传热性能呈现先增加后减小的趋势，并在波结高度为1.5mm时达到最大为1.267。 |
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