一种旋流叶片、旋流风扇、旋流管道及其制备方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201910244833.5 | 申请日 | 2019-03-28 | 公开(公告)号 | CN109827459B | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 广东索特能源科技有限公司; 广东清大创新研究院有限公司; | 发明人 | 康磊; 李海宾; 宋文婉; 周辉; 梁奇源; 韩敏芳; 夏云峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种旋流 叶片 ，包括依次首尾连接的前缘、背弧、尾缘和内弧；旋流 叶片环 绕旋 转轴 线旋转；旋流叶片在与 旋转轴 线同轴的圆柱面上的投影形成叶片型线，叶片型线为封闭的曲线；叶片型线的 中弧线 和前缘线的交点为前缘点，叶片型线的中弧线和尾缘线的交点为尾缘点；前缘点和尾缘点的连线和旋转轴线之间的夹 角 为叶片安装角；圆柱面的半径逐渐增大时，叶片安装角逐渐增大，同时出口气流角逐渐减小。该旋流叶片，通过在径向上逐渐增大的叶片安装角和逐渐减小的出口气流角，可确保 流体 流经旋流叶片之后，在流道中以更高的速度在圆周方向螺旋，最大限度的将压 力 能转 化成 流体的切向和轴向 动能 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种旋流叶片，其特征在于，所述旋流叶片包括依次首尾连接的前缘、背弧、尾缘和内弧；所述前缘朝向旋流风扇的进气方向，所述尾缘朝向所述旋流风扇的出气方向；所述旋流叶片环绕旋转轴线旋转； |
||||||
| 说明书全文 | 一种旋流叶片、旋流风扇、旋流管道及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及换热领域，尤其涉及一种旋流叶片、旋流风扇、旋流管道及其制备方法。 背景技术[0002] 随着现代工业的迅速发展，能源环境问题日益突出。世界各国开发清洁能源及新一代能源利用技术的同时，也更加注重开辟新的节能新途径。强化传热技术的应用不但能节约能源、保护环境，而且能大大节约投资成本。在一版的能量传递设备中，换热器其在化工、石油、动力和原子能等工业部门得到广泛应用，强化换热器的换热能力一直以来受到研究人员的重视，衍生出相应的强化传热技术，这一技术能够有效节约能源，降低投资成本。在强化传热技术发展的同时，出现了各种不同结构和种类的换热器，新结构、新材料的换热器不断涌现。换热器又称热交换器，是一种将热流体的热量传递给冷流体的设备，也是化工生产过程中热量传递不可缺少的设备。换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如石化、煤炭工业中的余热回收装置等。 [0003] 管壳式换热器又称为列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，结构一般由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。目前，国内外工业生产中所用的换热设备中，管壳式换热器仍占主导地位，虽然它在换热效率、结构紧凑性和金属材料消耗等方面不如其它新型换热设备，但它具有结构坚固，操作弹性大，适应性强，可靠程度高，选材范围广，处理能力大，能承受高温高压等特点，所以在工程中仍得到广泛应用。 [0004] 提高换热器性能即提高其传热性能，狭义的强化传热指提高流体和传热面之间的传热系数。其主要方法归结为下述两个原理，即降低温度边界层厚度和使传热面附近的流体产生相变。各种强化传热的方式，其目的均为增强流体的不稳定性，为实现这一效果，通常有两种途径，即改变传热面的形状和在传热面上或传热流路径内设置各种形状的湍流增进器或插入物。而现有的各种插入物的设计在使流体旋转前进方面仍有所不足，管式换热的效果仍有待进一步提高。 发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种旋流叶片、旋流风扇、旋流管道及其制备方法，来解决以上问题。 [0006] 为达此目的，本发明采用以下技术方案： [0008] 所述旋流叶片在与所述旋转轴线同轴的圆柱面上的投影形成叶片型线；所述叶片型线为封闭的曲线，包括依次首尾连接的前缘线、背弧线、尾缘线和内弧线；所述叶片型线的中弧线和所述前缘线的交点为前缘点，所述叶片型线的中弧线和所述尾缘线的交点为尾缘点；所述前缘点和尾缘点的连线和所述旋转轴线之间的夹角为叶片安装角； [0009] 所述圆柱面的半径逐渐增大时，获得的所述叶片安装角逐渐增大。 [0010] 可选的，所述圆柱面的半径逐渐增大时，获得的所述叶片型线的中弧线的长度逐渐增大。 [0011] 一种旋流风扇，包括多个如上所述的旋流叶片； [0013] 可选的，两个相邻的所述旋流叶片之间形成气流流道，所述气流流道的横截面积从进气方向至出气方向逐渐减小。 [0014] 可选的，两个相邻的所述旋流叶片分别为第一旋流叶片和第二旋流叶片，所述第一旋流叶片和第二旋流叶片在同一所述圆柱面上的投影分别为第一旋流叶片型线和第二旋流叶片型线，第一旋流叶片型线的背弧线朝向第二旋流叶片的内弧线； [0015] 所述第一旋流叶片和第二旋流叶片之间的气流流道在所述圆柱面上的投影形成气流流道型线；所述第二旋流叶片的内弧线通过一公切圆和第一旋流叶片的背弧线相切，所述公切圆的两个切点的连线，形成所述气流流道型线的出口；所述气流流道型线的中弧线在气流流道型线的出口处的切线，与所述轮毂的轴线同轴的圆面之间形成出口气流角； [0016] 所述圆柱面的半径逐渐增大时，获得的所述出口气流角逐渐减小。 [0017] 可选的，所述出口气流角的正切函数，与所述圆柱面的半径成线性关系。 [0018] 可选的，所述轮毂上开设有与所述内弧的形状相匹配的内弧线孔，所述内弧插入所述内弧线孔并固定连接所述轮毂。 [0019] 一种旋流管道，所述旋流管道内安装有如上所述的旋流风扇； [0020] 所述旋流管道的管壁上开设有多个与所述旋流叶片的背弧的形状相匹配的背弧线孔；各所述旋流叶片的背弧分别插入一对应的所述背弧线孔，固定连接所述旋流管道。 [0021] 一种如上所述的旋流管道的制备方法，包括以下步骤： [0022] 制备多个所述旋流叶片； [0023] 将所述旋流管道沿轴线剖分成两部分； [0024] 在所述轮毂上开设多个所述内弧线孔，将各所述旋流叶片的内弧分别插入对应的所述内弧线孔，将所述旋流叶片和所述轮毂焊接； [0025] 在所述旋流管道的管壁上开设多个背弧线孔，将各所述旋流叶片的背弧分别插入对应所述背弧线孔，从所述旋流管道的外表面将所述旋流叶片和旋流管道焊接； [0026] 将被剖分成两部分的旋流管道焊接。 [0027] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0028] 本发明提供的旋流叶片，通过逐渐增大的叶片安装角，可确保流体流经旋流叶片之后，在流道中以更高的速度在圆周方向螺旋，最大限度的将压力能转化成流体的切向和轴向动能，产生的切向速度可保证流体旋转，产生的轴向速度可保证流体前进。附图说明 [0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。 [0030] 图1为本发明实施例提供的旋流叶片的结构示意图。 [0031] 图2为本发明实施例提供的叶片型线的示意图。 [0032] 图3为本发明实施例提供的旋流管道的示意图。 [0034] 图5为本发明实施例提供的含有旋流风扇的管道内流体的螺旋流线示意图。 [0035] 图示说明：1、旋流叶片；10、旋转轴线；11、前缘；12、背弧；13、尾缘；14、内弧；2、叶片型线；201、前缘线；202、背弧线；203、尾缘线；204、内弧线；21、前缘点；22、尾缘点；23、叶片安装角；24、出口气流角；25、轴向几何出口角；26、气流流道型线；3、轮毂；4、旋流管道。 具体实施方式[0036] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 [0037] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。 [0038] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。 [0039] 实施例一 [0040] 本实施例一提供了一种旋流叶片1，请参考图1，该旋流叶片1包括依次首尾连接的前缘11、背弧12、尾缘13和内弧14。其中，前缘11朝向旋流风扇的进气方向，尾缘13朝向旋流风扇的出气方向。 [0041] 请参考图2，旋流叶片1环绕旋转轴线10旋转。旋流叶片1在与旋转轴线10同轴的圆柱面上的投影形成叶片型线2，叶片型线2为封闭的曲线，包括依次首尾连接的前缘线201、背弧线202、尾缘线203和内弧线204。叶片型线2的中弧线和前缘线201的交点为前缘点21，叶片型线2的中弧线和尾缘线203的交点为尾缘点22。前缘点21和尾缘点22的连线和旋转轴线10之间的夹角为叶片安装角23。 [0042] 考虑叶片通道的旋转散射效应，当用于旋流叶片1投影的圆柱面的半径逐渐增大时，获得的叶片安装角23逐渐增大。由此，可确保流体流经旋流叶片1之后，在流道中以更高的速度在圆周方向螺旋，最大限度的将压力能转化成流体的切向和轴向动能，产生的切向速度可保证流体旋转，产生的轴向速度可保证流体前进。 [0043] 在本实施例中，用于旋流叶片1投影的圆柱面的半径逐渐增大时，获得的叶片型线2的中弧线的长度逐渐增大。即使得叶片的内弧14沿轴线方向的长度小于其背弧12沿轴线方向的长度，这样的流线型设计可以减少流阻。 [0044] 本实施例一通过控制叶片的安装角，增大了流体的螺旋程度，增强了流体的扰动并破坏层流段，使流体处于过渡段或湍流段，增加管内流体与管壁的换热系数，并通过旋流使流体对管壁持续冲刷，可有效预防结垢。 [0045] 实施例二 [0046] 本实施例提供了一种旋流风扇，包括多个实施例一中的旋流叶片1。 [0047] 请参考图3，该旋流风扇还包括轮毂3。多个旋流叶片1均安装于轮毂3上，环绕轮毂3的轴线均匀分布。轮毂3的轴线为旋转轴线10，旋流叶片1的内弧14固定连接轮毂3。具体的，轮毂3上开设有与内弧14的形状相匹配的内弧14型线孔，内弧14插入内弧14型线孔并固定连接轮毂3。 [0048] 请参考图2，两个相邻的旋流叶片1分别为第一旋流叶片和第二旋流叶片，第一旋流叶片和第二旋流叶片在同一圆柱面上的投影分别为第一旋流叶片型线(图2处上方的旋流叶片型线)和第二旋流叶片型线(图2中下方的旋流叶片型线)，第一旋流叶片型线的背弧线202朝向第二旋流叶片的内弧线204。 [0049] 第一旋流叶片和第二旋流叶片之间的气流流道在该圆柱面上的投影形成气流流道型线，气流流道型线位于第一旋流叶片型线和第二旋流叶片型线之间。第二旋流叶片的内弧线204通过一公切圆和第一旋流叶片的背弧线202相切，公切圆的两个切点的连线，形成气流流道型线的出口。气流流道型线的中弧线在气流流道型线的出口处的切线，与轮毂的轴线同轴的圆面之间形成出口气流角。两个与轮毂的轴线同轴的圆面可以和圆柱面组成一圆柱体。 [0050] 两个相邻的旋流叶片1之间形成气流流道，气流流道的横截面积从进气方向至出气方向逐渐减小。 [0051] 以与轮毂3的轴线同轴的一圆柱面同时截取两个相邻的叶片时，获得两个叶片型线2，两个叶片型线2之间形成气流流道对应的气流流道型线26，两个叶片型线2的尾缘点22之间的连线形成气流流道型线26的出口。气流流道型线26的中弧线在气流流道型线26的出口处的切线，与轮毂3的轴线同轴的圆面之间形成出口气流角24。用于截取两个叶片的圆柱面的半径逐渐增大时，获得的出口气流角24逐渐减小。出口气流角24的正切函数，与用于截取两个叶片的圆柱面的半径成线性关系。 [0052] 旋流叶片1的设计目的是让流体螺旋推进，本申请文件中设计的旋流叶片1通过叶片型线2的调整不仅使流体发生偏转还能够加速。当换热管通过的流体的质量流量一定时，平均出口气流角24度与换热系数成一定的关系，以可压缩气体工质为例，当出口气流角24的正切函数与用于截取两个叶片的圆柱面的半径成线性关系时(等环量扭曲方法)，由于圆周向速度较大，流体的离心惯性力在径向逐渐增大，该力与流体的径向压力梯度相平衡，此时流体的涡流在半径越大的区域越强烈，该类叶片型线2适合压力较大且管径较粗的换热单元。 [0053] 可以理解的是，出口气流角24也可设计为在径向无变化的扭曲积迭形式，该设计产生非自由旋涡，气流的轴向分速度随着圆柱面半径的增大而减小，因此在远离轮毂3区域容易产生湍流区，可提高换热能力但不利于流体的推进。若将旋流风扇置于管式换热器中，管式换热器的对流换热系数随平均出口气流角24的减小而增大，为了控制流体的换热量，可通过旋流叶片1不同截面的角度改变来调整换热系数。 [0054] 在本实施例中，叶片型线2的中弧线在其尾缘点22处的切线，与旋转轴线10之间的夹角为轴向几何出口角25。该角度的选择需要根据实际情况确定，优选范围为15度‑30度。该角度的选择既要保证在气流流道的出口处有螺旋涡流存在，又要保证流体具有一定的切向冲击速度。旋流持续冲击边界层增强边界层和主流区的质量能量交换，从而提高流体和管道的对流换热能力。 [0055] 实施例三 [0056] 本实施例提供了一种旋流管道4及其制备方法。旋流管道4内安装有实施例二提供的旋流风扇。 [0057] 请参考图3，旋流管道4的管壁上开设有多个与旋流叶片1的背弧12的形状相匹配的背弧12型线孔，各旋流叶片1的背弧12分别插入一对应的背弧12型线孔，固定连接旋流管道4。 [0058] 旋流管道4的制备方法包括以下步骤： [0059] 制备多个旋流叶片1； [0060] 将旋流管道4沿轴线剖分成两部分； [0061] 在轮毂3上开设多个内弧14型线孔，将各旋流叶片1的内弧14分别插入对应的内弧14型线孔，将旋流叶片1和轮毂3焊接； [0062] 在旋流管道4的管壁上开设多个背弧12型线孔，将各旋流叶片1的背弧12分别插入对应背弧12型线孔，从旋流管道4的外表面将旋流叶片1和旋流管道4焊接； [0063] 将被剖分成两部分的旋流管道4焊接。 [0064] 该旋流管道4可以布置在管式换热器的管道入口位置，之后接入正常管道。若将旋流管道4用于现有管式换热器的改造，可以在原来管式换热器靠近入口的位置切断部分，填入该旋流管道4并焊接。根据需求，可以制备旋流管道4管径相同，但是内部安装的旋流叶片1型线不同的旋流管道4，整段进行替换使用。 [0066] 本设计适合的管式换热器的管径不宜太小，管道长度不太长的换热设备，还可以与螺旋管配合使用，确保涡流强度可持续推进，对于U型管束会降低流体的涡旋强度，可在U型弯头之后再加一组此类旋流管道4。 [0067] 本实施例提供的旋流管道4的制备方法简单，成本低廉，制造效率高。 [0068] 实施例四 [0070] 用温度为1050℃的烟气预热空气至650℃，采用常规列管式换热器，其综合传热系2 2 数为46.22W/(m‑K)，在管侧加入旋流管道4后，综合传热系数增加为49.11W/(m‑K)，管侧对 2 2 流换热系数由81.78W/(m‑K)提高至90.56W/(m‑K)，提高了10.7％，请参考表1。本文通过单通道的流速改变流量测算光管及带旋流管道4的管内流体与管壁的传热系数，获得不同进口雷诺数下的换热系数h1，如图4所示。 [0071] 表1某燃料电池用空气预热器换热效果分析 [0072] [0073] 该技术也可适用于不可压缩流体，以水冷却有机油冷却器为例说明，管侧尺寸DN32，单程管数为168根，正三角形排列，在未增加旋流管道4之前，综合换热系数K值为2 2 278W/(m‑K)，在每根管端部增加了旋流管道4后，其换热系数达到281.3W/(m‑K)，管侧对流 2 2 换热系数由4327W/(m‑K)提高至4655.8W/(m ‑K)，提高了7.6％；对数温差由原来的55℃降低至47℃，请参考表2。 [0074] 表2有机油冷却器换热效果分析 [0075] [0077] 普朗特数 表明温度边界层和流动边界层的关系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响；μ为动力粘度，cp为等压比热容，k为热导系数； [0078] 努塞尔数 表征特征长度与热边界层厚度之比，h、L、k分别是对流传热系数、特征长度和热传导系数； [0079] 管内紊流强制对流换热时，Nu＝0.023Re0.8 PrmξtξlξR，其中当液体被加热或气体被冷却时m＝0.4，液体被冷却或气体被加热时m＝0.3，ξt为温差修正系数，ξl为管长修正系数、ξR为弯曲修正系数； [0080] 总传热系数 其中h1、h2分别为管内、外侧与流体的对流传热系数，δ为管壁厚度，λ为管子的热传导系数； [0081] 对数温差 [0082] 强化换热性能评价指标 Nu和Nu0分别是强化换热管和光管的努塞尔数，f和f0分别为强化换热管和光管的阻力系数。 [0083] 为了满足不同的换热需求，通常需要的旋流叶片1是不同的，根据流体的流速度及旋流管道4长度来调节旋流叶片1的出口角度、叶片只数等参数，通过无量纲因子努塞尔数Nu和普朗特数Pr以及雷诺数Re等参数监测换热系数，确定达到理想的换热效果。通常设计主要根据管径确定旋流叶片1的轴向长度。本申请文件中旋流叶片1在径向向外时，沿轴向长度是逐渐加宽的，通常在轮毂3处的宽度大于5mm，轮毂3的直径通常取大于0.1倍的旋流管道4直径。 [0084] 本文换热方式适合管内流动的气体或液体，针对可压缩流体和不可压缩流体，旋流叶片1的型线有一定差异。 [0085] 本申请文件提供的旋流管道4可以提高管式换热的传热效果，提高换热器的热功率，在相同条件下减小换热设备的尺寸重量及金属消耗，实现较低温差的条件下的热量提取。本申请文件通过旋流叶片1的方式使流体螺旋式推进，增强扰动以减少和破坏层流段，使流体处于过渡段或湍流段，增加管内流体与管壁的换热系数。图5展示了流体在经过旋流叶片1后，在管内的螺旋流线图。旋流叶片1还可减缓管道结垢现象，降低换热器的清洁频率。通过在一定范围内调整旋流叶片1可控制流体的换热量。 [0086] 以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈