换热管、换热管的设计方法和使用方法

摘要

本申请涉及一种换热管、换热管的设计方法和使用方法，以提升换热管的换热系数。换热管具有供流体进入的流体入口以及供被加热后的所述流体排出的流体出口，所述流体以全部为液态的方式进入所述流体入口，所述流体的至少一部分在所述换热管内被加热后而汽化、再从所述流体出口排出；换热管内插设有自流体入口向流体出口的方向上依次排列且彼此连接的第一插入件和第二插入件，第一插入件包括绕换热管的轴线卷绕呈筒状的丝网，第二插入件包括沿轴线扭曲延伸的扭曲带；在第一插入件与所述第二插入件连接处，换热管的截面含汽率为0.8。

权利要求

1.一种换热管的设计方法，所述换热管具有供流体进入的流体入口以及供被加热后的所述流体排出的流体出口，其特征在于，包括：确定出所述换热管在预设应用场景下的截面含汽率为0.8的一目标截面，所述目标截面将所述换热管分隔为第一管段和第二管段；

将第一插入件插入所述第一管段内，将第二插入件插入所述第二管段内，其中，所述第一插入件包括绕所述换热管的轴线卷绕呈筒状的丝网，所述第二插入件包括沿所述轴线扭曲延伸的扭曲带；

其中，在入口流体为过冷流体情况下，通过下式计算出截面含气率为0.8 的所述目标截面至所述换热管的流体入口的距离，根据所述距离确定出所述目标截面的位置；

其中， 为所述目标截面至所述流体入口的距离，单位为m； 为所述流体的质量流量，单位为kg/s； 为所述流体的汽化潜热，单位为kJ /kg； 为所述流体在液态下的定压比热容，单位为kJ/(kg•k)； 为所述流体的过冷度，单位为℃； 为所述换热管的3

外径，单位为m； 为圆周率； 为所述流体在饱和状态下的液体密度，单位为kg/m ；

3

为所述流体在饱和状态下的汽体密度，单位为kg/m ； 为换热管表面的热流密度，单位为 。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第一插入件与所述第一管段的长度相同，所述第二插入件与所述第二管段的长度相同，且所述第一插入件与所述第二插入件在所述目标截面处相连接。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述第一插入件还包括位于所述丝网内周侧的弹簧，所述弹簧沿所述换热管的径向向外弹压所述丝网，以使所述丝网与所述换热管的内壁面贴靠。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述换热管为圆形直管，所述丝网、所述弹簧和所述扭曲带均为金属材质，所述丝网或所述弹簧与所述扭曲带在二者的端部焊接固定；

所述扭曲带与所述换热管的内壁面贴靠设置，从而将所述换热管的管腔分隔成两条围绕所述轴线延伸的螺旋流道，所述扭曲带的扭率为1.5‑5，所述丝网被卷绕3至5层，所述丝网为100‑250目。

5.一种换热管的使用方法，其特征在于，所述换热管为由如权利要求1至4中任一项所述设计方法得到的换热管，所述方法包括：将用于吸收管外热量的流体，以全部为液态的方式送入所述流体入口；

使所述流体的至少一部分在所述换热管内被所述管外热量加热而汽化、再从所述流体出口排出；

其中，在所述第一插入件与所述第二插入件连接处，所述换热管的截面含汽率为0.8。

说明书

换热管、换热管的设计方法和使用方法

技术领域

[0001] 本申请涉及换热设备技术领域，尤其涉及一种换热管、换热管的设计方法和使用方法。

背景技术

[0002] 换热管内设置插入件强化管内的对流换热是一种成本低、效率较高的强化措施，该措施施行简单方便，可在新换热器内实施，也可在旧换热器内实施，因而获得广泛应用。但是这些插入件大多数都是用于强化单相流体的对流换热。

[0003] 公开号为CN101846469A的中国专利文献，在换热管中设置扭曲片，沿换热管轴向扭曲片可以设置多个；由于扭曲片改变了流动形态，加剧了湍流剧烈程度，减薄了边界层厚度，提高了传热效率。

[0004] 公开号为CN107024137A中国专利文献，公开的插入物为楔体波浪式插入物，其整体呈现处周期性变化的波浪形态，其一端振幅为零，从该端到另一端方向，楔体波浪形插入物的振幅逐渐增大，即插入物呈一端小且另一端大的楔体形状，此插入物可以提高换热性能，同时降低流动阻力。

[0005] 公开号为CN2222898Y中国专利文献，提出的插入物由一条以上梯形带组成，梯形带之间交叉角为60‑90°，一条梯形带由数个梯形单元连接而成，一个梯形单元由两条斜边之间连接一对平行边构成。通过梯形斜面将物料从管壁边缘向中部置换，又将中部物料置换到管壁，梯形的平行边则将置换中的物料充分扰动以使物料和壁面产生很好的热交换。

[0006] 对于管内单相流体的换热过程，常规的插入物技术起到了很好的强化作用，但是对于流动沸腾换热过程，从液体进入换热管到最终形成蒸汽并流出换热管，依次出现了不同流型，相应的传热机理出现变化，单一形状插入物技术只能适应某些流型下的传热机理，起到强化作用；但是当流型出现变化，则不能起到强化换热作用。

发明内容

[0007] 与单相流体对流换热相比较，管内流动沸腾的传热过程要复杂的多。当管外不断对管内流体加热时，管内流体连续发生相变，不断产生汽泡和蒸汽，形成汽液两相流。在两相流研究中，汽液流量比例、界面形状以及几何分布状况称为两相流流型。根据传热学研究，在管内的流动沸腾换热是核态沸腾换热和强制对流蒸发换热两种不同机理共同作用的结果。对于不同流型下，两种不同传热机理发挥的作用不相同。例如，单相液体进入换热管时，核态沸腾起主要作用，对流换热的作用很小；而在接近换热管出口，流体中的液相流体很少，起主要作用的是强迫对流换热，而核态沸腾作用很小。因此，可以将管内饱和流动沸腾换热按照传热机理自入口开始顺序划分为三个区域：即核态沸腾区，核态沸腾和强制对流蒸发换热同时存在的混合区，以及强制对流蒸发区。毫无疑问，对管内流动沸腾进行强化，应该根据不同传热机理进行，对不同的流型采用不同的强化措施。

[0008] 在换热管内，流体中的含汽量沿程不断增加，是液汽两相流流型转变的根本原因，因此，流体截面含汽率α(截面含汽率α定义为汽相所占流动截面面积与截面总面积的比值)成为判别流型的转变的重要参数。

[0009] 在两相流的截面含汽率α较小时，其流型为单相流或者泡状流，处于核态沸腾区。显然在此区域内需要强化核态沸腾。在核态沸腾和强制对流蒸发换热同时存在的混合区内，此区域内截面含气率α＝0.3‑0.8，核态沸腾同样发挥重要作用，一方面汽泡可以吸收大量潜热，强化换热作用很大，另外，汽泡的生成和脱离壁面破坏了边界层，大大提高了对流换热效率，因此，在截面含气率α＝0‑0.8阶段内，应该以强化核态沸腾换热为主要目的。但是在强制对流蒸发区，两相流中的蒸汽量很大，即截面含汽率α>0.8，此时两相流的特点是汽体高速流动，气液两相之间的摩檫力增大，撕扯液膜破碎，形成不连续的环状流，出现局部干涸。甚至在重力作用下，会出现汽体汇集在换热管上部，部分液体沉集在换热管下部的现象，进一步造成较大壁面干涸，降低了换热效率。随后，由于继续加热，汽体的持续增多，流型将转变成雾状流，核态沸腾现象几乎不存在，换热机理主要是强制对流蒸发换热，此区域内的强化措施应该以强化对流蒸发以及消除干涸为主要目的。

[0010] 有鉴于此，本申请的目的是提出一种换热管、换热管的设计方法和使用方法，以提升换热管的换热系数。

[0011] 第一方面，本申请提出一种换热管，具有供流体进入的流体入口以及供被加热后的所述流体排出的流体出口，其中，所述流体以全部为液态的方式进入所述流体入口，并且所述流体的至少一部分在所述换热管内被加热后而汽化、再从所述流体出口排出；

[0012] 所述换热管内插设有自所述流体入口向所述流体出口的方向上依次排列且彼此连接的第一插入件和第二插入件，所述第一插入件包括绕所述换热管的轴线卷绕呈筒状的丝网，所述第二插入件包括沿所述轴线扭曲延伸的扭曲带；

[0013] 在所述第一插入件与所述第二插入件连接处，所述换热管的截面含汽率为0.8。

[0014] 在一些可能的实施方式中，所述第一插入件延伸至所述流体入口处，所述第二插入件延伸至所述流体出口处，所述第一插入件沿所述轴线的全长+所述第二插入件沿所述轴线的全长＝所述换热管沿所述轴线的全长。

[0015] 在一些可能的实施方式中，所述第一插入件还包括位于所述丝网内周侧的弹簧，所述弹簧沿所述换热管的径向向外弹压所述丝网，以使所述丝网与所述换热管的内壁面贴靠。

[0016] 在一些可能的实施方式中，所述换热管为圆形直管，所述丝网、所述弹簧和所述扭曲带均为金属材质，所述丝网或所述弹簧与所述扭曲带在二者的端部焊接固定；

[0017] 所述扭曲带与所述换热管的内壁面贴靠设置，从而将所述换热管的管腔分隔成两条围绕所述轴线延伸的螺旋流道，所述扭曲带的扭率为1.5‑5，其宽度等于所述换热管的直径；所述丝网被卷绕3至5层，所述丝网为100‑250目。

[0018] 第二方面，本申请提出一种换热管的设计方法，所述换热管具有供流体进入的流体入口以及供被加热后的所述流体排出的流体出口，包括：

[0019] 确定出所述换热管在预设应用场景下的截面含汽率为0.8的一目标截面，所述目标截面将所述换热管分隔为第一管段和第二管段；

[0020] 将第一插入件插入所述第一管段内，将第二插入件插入所述第二管段内，其中，所述第一插入件包括绕所述换热管的轴线卷绕呈筒状的丝网，所述第二插入件包括沿所述轴线扭曲延伸的扭曲带。

[0021] 在一些可能的实施方式中，在入口流体为过冷流体情况下，通过下式计算出截面含气率为0.8的所述目标截面至所述换热管的流体入口的距离，根据所述距离确定出所述目标截面的位置；

[0022]

[0023] 其中，L1为所述目标截面至所述流体入口的距离，单位为m；G为所述流体的质量流量，单位为kg/s；hfg为所述流体的汽化潜热，单位为kJ/kg；Cp为所述流体在液态下的定压比热容，单位为kJ/(kg·k)；△T为所述流体的过冷度，单位为℃；do为所述换热管的外径，单3
位为m；π为圆周率；ρ1为所述流体在饱和状态下的液体密度，单位为kg/m ；ρg为所述流体在
3
饱和状态下的汽体密度，单位为kg/m。

[0024] 在一些可能的实施方式中，所述第一插入件与所述第一管段的长度相同，所述第二插入件与所述第二管段的长度相同，且所述第一插入件与所述第二插入件在所述目标截面处相连接。

[0025] 在一些可能的实施方式中，所述第一插入件还包括位于所述丝网内周侧的弹簧，所述弹簧沿所述换热管的径向向外弹压所述丝网，以使所述丝网与所述换热管的内壁面贴靠。

[0026] 在一些可能的实施方式中，所述换热管为圆形直管，所述丝网、所述弹簧和所述扭曲带均为金属材质，所述丝网或所述弹簧与所述扭曲带在二者的端部焊接固定；

[0027] 所述扭曲带与所述换热管的内壁面贴靠设置，从而将所述换热管的管腔分隔成两条围绕所述轴线延伸的螺旋流道，所述扭曲带的扭率为1.5‑5，所述丝网被卷绕3至5层，所述丝网为100‑250目。

[0028] 第三方面，本申请提出一种如第一方面所述换热管的使用方法，所述方法包括：

[0029] 将用于吸收管外热量的流体，以全部为液态的方式送入所述流体入口；

[0030] 使所述流体的至少一部分在所述换热管内被所述管外热量加热而汽化、再从所述流体出口排出；

[0031] 其中，在所述第一插入件与所述第二插入件连接处，所述换热管的截面含汽率为0.8。

[0032] 对于管内单相流体的换热过程，常规的插入物技术起到了很好的强化作用，但是对于流动沸腾换热过程，从液体进入换热管到蒸汽流出换热管，依次出现了不同流型，相应的传热机理出现变化，单一形状插入物技术只能适应某些流型下的传热机理，起到强化作用；但是当流型出现变化，则不能起到强化换热作用。发明人注意到，在泡状流型区，核态沸腾占主导作用，管内扭曲带插入件的强化换热作用不大；当蒸汽量增加后，进入雾状流时，管内扭曲带插入件可以将对流换热系数提高，而核态沸腾现象几乎消失。本申请提出的换热管，顺应两相流流型的转变，针对不同流型的传热机理，提出的两种不同构造的插入件，两插入件的分隔点巧妙地设置在截面含汽率为0.8的位置，可以整体提高换热管的换热效率。

附图说明

[0033] 为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。

[0034] 图1是本申请一实施例提供的换热管的外部结构示意图。

[0035] 图2是图1所示换热管的内部结构示意图。

[0036] 图3是图2中第一插入件和第二插入件的结构示意图。

[0037] 图4是图3所述结构的剖面示意图；

[0038] 图5是图3中的丝网被移除后的结构示意图；

[0039] 图6是本申请一实施例提供的换热管设计方法的流程示意图。

[0040] 附图标记说明：

[0041] 100‑换热管；

[0042] 1‑流体入口，2‑流体出口，3‑丝网，4‑弹簧，5‑扭曲带。

具体实施方式

[0043] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。可以理解，在不冲突的情况下，本文所描述的各个实施例的一些技术手段可相互替换或结合。

[0044] 在本申请说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。由此，限定有“第一”、“第二”等的对象可以明示或者隐含地包括一个或者多个该对象。并且，“一个”或者“一”等类似词语，不表示数量限制，而是表示存在至少一个，“多个”表示不少于两个。

[0045] 图1至图6示出了本申请一实施例提供的换热管100，该换热管100为圆形直管，其具有流体入口1和流体出口2，流体入口1和流体出口2沿该换热管100的轴线延伸方向相对设置。工作时，流体以全部为液态的方式进入流体入口1，进入换热管100内的流体，至少一部分被管外环境加热后而汽化、再从流体出口2排出。换热管100的这种应用场景，使得流体在管内流型发生了变化。

[0046] 在本实施例中，换热管100内插设有自流体入口1向流体出口2的方向上依次排列且彼此连接的第一插入件和第二插入件，第一插入件包括绕换热管100的轴线卷绕呈筒状的丝网3，第二插入件包括沿前述轴线扭曲延伸的扭曲带5。并且，在第一插入件与第二插入件连接处，换热管100的截面含汽率为0.8。

[0047] 如前所述，在核态沸腾区和核态沸腾和强制对流换热同时存在的混合区内，截面含气率显示为α＝0‑0.8，应以强化核态沸腾为主。强化核态沸腾的有效方法是增加汽化核心的数目，汽化核心数目多了，大量的汽泡可以吸收大量潜热，强化了换热作用，同时，汽泡的生成和脱离壁面破坏了边界层，大大提高了对流换热效率。因此，在这两个区域内，采用的插入件为卷绕呈筒状的丝网3，多层叠加的丝网3表面形成大量的凹穴，提供了更多的汽化核心，从而强化了核态沸腾。而在强制对流蒸发区，对流换热起主要作用。采用扭曲带5措施对其进行强化传热。在扭曲带5作用下，使得流体沿流动方向产生旋转流动，可以使汽‑液两相充分混合，将底部的部分液体携带至换热管100上部湿润壁面，避免了上部壁面出现干涸。当流型转变成雾状流后，雾状流的特点是换热管100中的汽体高速流动，裹挟着大量液滴，在扭曲带5作用下，汽流发生旋转，汽体中的液滴在离心力作用下被甩到换热管100的内壁面上，从而提高了壁面湿润程度，进而提高了蒸发换热系数。

[0048] 由上所述，本实施例的插入件可根据两相流流型特点，由两段不同结构连接构成。精准确定两段连接位置，即准确计算桶状丝网3段长度和扭曲带5的长度是本技术成功实施的关键。

[0049] 在本实施例中，第一插入件与第二插入件的长度之和等于换热管100的总长，具体而言，第一插入件延伸至流体入口1处，第二插入件延伸至出口处，第一插入件沿前述轴线的全长+第二插入件沿前述轴线的全长＝换热管100沿前述轴线的全长。以此方式，使得第一插入件和第二插入件的长度尽可能大，有助于提升换热管100的效率。

[0050] 在本实施例中，扭曲带5的宽度等于换热管100的内径，以使得扭曲带5与换热管100的内壁面贴靠设置，从而将换热管100的管腔分隔成两条围绕管轴线延伸的螺旋流道。
工作时，流体沿这两条螺旋通道流动时，使得流体旋转，可以将汽相与液相流体充分混合，避免了分层流流型以及雾状流流型下，换热管100壁面出现局部干涸的现象。

[0051] 扭曲带5的扭率(即节距与带宽比值)可以是1.5‑5。节距是扭曲带5每扭转360°所对应的长度。

[0052] 丝网3可以被卷绕3至5层，丝网3的目数可以是100‑250目。

[0053] 请再参见图2，第一插入件还包括位于筒状丝网3内周侧的弹簧4，该弹簧4沿换热管100的径向向外弹压丝网3，以使丝网3与换热管100的内壁面贴靠。

[0054] 在本实施例中，丝网3为200目规格，将其折叠3层卷成外径为17mm的筒状。

[0055] 前述丝网3、弹簧4、和扭曲带5均采用导热性好的金属材质，而且弹簧4与扭曲带5在二者的端部焊接固定，由此实现第一插入件与第二插入件的连接。在另一些实施例中，丝网3与扭曲带5在二者的端部焊接固定。在其他一些实施例中，第一插入件与第二插入件仅相互抵接，并不焊接。此外，金属材质的丝网3、弹簧4、和扭曲带5具有良好的导热性能，有助管内流体与管外环境的换热。请参见图2，本申请示例性还提供了一种换热管100的设计方法，该方法包括：

[0056] S601，确定出换热管100在预设应用场景下的截面含汽率为0.8的一目标截面，该目标截面将换热管100分隔为第一管段和第二管段；

[0057] S602，将第一插入件插入第一管段内，将第二插入件插入第二管段内，其中，第一插入件包括绕换热管100的轴线卷绕呈筒状的丝网3，第二插入件包括沿轴线扭曲延伸的扭曲带5。

[0058] 在前述步骤S601中，确定出换热管100在预设应用场景下的截面含汽率为0.8的目标截面，具体可以包括以下步骤：

[0059] 根据《沸腾传热和汽液两相流》(徐济鋆，原子能出版社，2001年)，流体的容积汽流率β与流体的质量含汽率x(干度)之间具有下述关系式(1)，

[0060]

[0061] 其中，x为管内流体的质量含汽率，亦称“干度”，β为管内流体的容积汽流率，ρ1为管内流体在饱和状态下的液体密度，ρg为管内流体在饱和状态下的汽体密度。

[0062] 根据《气液两相流和沸腾传热》(林宗虎，西安大学出版社，2003年)，容积汽流率β与截面含汽率α之间又具有下述关系式(2)，

[0063] α＝0.833β   (2)

[0064] 将式(2)代入式(1)可得出截面含汽率α＝0.8时的质量含汽率(干度)[0065]

[0066] 再根据管内流体的质量流量G以及管内流体的汽化潜热hfg，可得到管内流体由液体单相流加热成为截面含汽率α＝0.8时的汽液两相流所需的热量Q1：

[0067] Q1＝x·G·hfg  (4)

[0068] 若流体入口1温度低于饱和温度，根据流体的过冷度△T可计算出管内流体达到饱和温度所需的热量Q2，

[0069] Q2＝Cp·G·△T  (5)

[0070] 其中，Cp为管内流体在液态下的定压比热容，Q2为过冷流体达到饱和温度所需的热量，△T为管内流体的过冷度。

[0071] 根据换热管100表面的热流密度qs可得出单位长度的加热功率qh：

[0072] qh＝qs·π·do   (6)

[0073] 其中，do为换热管100的外径，qs为换热管100表面的热流密度，qh为单位长度的加热功率。

[0074] 根据式(4)、式(5)和式(6)，可以得出目标截面至流体入口1的距离L1：

[0075]

[0076] 为了让读者更直观地理解本技术，现给出一个更为具体的示例。在该示例中，现有外径do＝16mm、壁厚为0.6mm、长度L＝9.5m的直圆形的换热管100，换热管100内的工质为氟里昂22，其汽化潜热hfg＝204KJ/kg，其比热Cp＝1.189KJ/(kg·k)，该工质的入口处的温度为0℃，设管内蒸发温度(饱和温度)为4℃，该工质的质量流量G＝0.0206Kg/s，换热管100表2
面的热流密度qs＝9kW/m。根据上述参数，计算截面含汽率α＝0.8的目标截面的位置，并据此在换热管100内配置第一插入件和第二插入件，以提升换热效率。

[0077] 首先，利用上式(3)，可以求出当α＝0.8时的汽液两相流中蒸汽质量含汽率x(干度)，x＝0.32

[0078] 利用上式(4)计算出管内流体从单相流加热成为截面含汽率α＝0.8时的汽液两相流所需的热量Q1，

[0079] Q1＝x·G·hfg＝1345(W)

[0080] 利用上式(5)计算出流体从入口温度提升至饱和温度所需的热量Q2，[0081] Q2＝Cp·G·△T＝98(W)

[0082] 其中，过冷度△T＝4℃。

[0083] 利用上式(6)计算出换热管100单位长度的加热功率qh，

[0084] qh＝qs·π·do＝452(W/m)

[0085] 利用上式(7)求出目标截面与流体入口1的距离L1，

[0086]

[0087] 由此，可得出目标截面与流体出口2的距离L2，

[0088] L2＝L‑L1＝9.5‑3.19＝6.31(m)

[0089] 基于此，可将第一插入件的长度设置为3.19米，第二插入件的长度设置为6.31米。

[0090] 此外，本申请实施例还提出了一种如图1至图5所示换热管100的使用方法，该方法包括：

[0091] 将用于吸收管外热量的流体，以全部为液态的方式送入流体入口1；

[0092] 使流体的至少一部分在换热管100内被管外热量加热而汽化、再从流体出口2排出；

[0093] 其中，在第一插入件与第二插入件连接处，换热管100的截面含汽率为0.8。