CN100347512C - 传热管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种传热管及其制造方法，该管的外表面构造成在制冷剂蒸发和冷凝场合下均能提高传热性能，适用于壳管式空调冷凝器的泛滥式蒸发器、降膜式蒸发器或它们的组合。该管具有至少一个围绕其外表面螺旋延伸的翅片圈。一槽口图案围绕管周以一定间隔斜角穿过翅片圈而延伸。每对相邻的槽口之间有一劈口的翅片体。翅片圈、槽口和劈口的翅片体是通过将管壁在一芯杆与依次排列的一制翅片盘组、一刻槽轮和一劈口轮之间滚轧而形成。

Description

传热管及其制造方法
本发明总的涉及传热管。更具体地说，本发明涉及一种其制冷剂表面的构造在蒸发和冷凝场合下均适用于空调和制冷系统的传热管及其制造方法。
壳管式换热器在一壳体内含有多根管子。这些管子通常是设置成为需要进行热交换的两种流体中的一种流体提供多条平行的流动通道。在一种泛滥式蒸发器中，管子浸在流过换热器壳体的第二种流体中。许多空调系统含有壳管式换热器。在空气调节场合下，通常为水的流体流过管子，制冷剂流过换热器壳体。在一种蒸发器场合下，制冷剂利用从流体通过管壁所传递的传导热来冷却流体。该传导热使与管子外表面接触的制冷剂蒸发。在一种冷凝器场合下，制冷剂利用通过管壁传递到流体的传导热冷却和冷凝。这种换热器的传热能力很大程度上取决于各管子的传热特性。各管子的外部构造对于其总的传热特性的建立是非常重要的。
目前有一些基本上公知的用于提高传热管的传热效率的方法。它们中有一种是增大管子的传热面积。用来增大换热器管的传热面积的最普通的方法之一是在管子外表面上设置翅片。翅片可以单独制成并连接到管子的外表面上，或者，可以通过某些工艺对管壁进行加工而在管子外表面上形成翅片。
在一种制冷剂冷凝场合下，除了传热面积增大外，还有一个原因使得制有翅片的管子比外表面光滑的管子具有更高的冷凝传热性能。冷凝的制冷剂在光滑管子的外表面上形成一层连续的液体制冷剂膜。该膜的存在可降低透过管壁的传热率。该膜对热传递的阻碍随膜厚度的增大而增大。由于表面张力作用，翅片上的膜的厚度通常要小于管表面主要部分上的膜的厚度，因而可减小对翅片的热传递阻碍。
在一种制冷剂蒸发场合下，增大管表面的传热面积也可提高传热管的传热性能。此外，可促进与沸腾液体相接触的管子表面上的有核沸腾的表面构造能够提高性能。在有核沸腾过程中，从被加热表面传递的热量使与该表面接触的液体蒸发，蒸气形成气泡。来自该表面的热量过度加热气泡中的蒸气，气泡的尺寸变大。当气泡的尺寸足够大时，表面张力被克服，气泡脱离管表面。随气泡离开表面，液体进入气泡所腾出的空间，残留于该空间内的蒸气便有了一个补充液体源，从而能蒸发而形成又一个气泡。连续地在表面上形成气泡、气泡脱离表面和表面的重新变湿以及蒸气气泡升起而搅拌液体的对流作用，可提高传热表面的传热率。
将传热表面构造成具有能为蒸气截留提供位置和促进蒸气气泡形成的成核点，可以加强有核蒸发过程。例如，简单地凿毛传热表面可以提供成核点，使表面的传热特性优于类似的光滑表面。凹腔型成核点可产生稳定的气泡柱和良好的表面传热特性。凹腔型成核点是一种凹穴开口小于表面下凹穴体积的表面凹穴。周围液体过多地流入可满溢凹腔型成核点，使它不起作用。通过将传热表面构造成具有相对较大的连通的表面下通道，并且它们通到表面的开口相对较小，可减小或防止蒸气截留或成核点的满溢，提高表面的传热性能。
在一种降膜式蒸发器中，液膜在传热表面上的蔓延和薄膜的发展对于提高传热能力是非常重要的。
从后勤学和制造方面的观点看，需要有一种外部传热表面在泛滥和降膜式蒸发器的制冷剂冷凝和蒸发场合下均具有良好传热性能的传热管，因而在冷凝器和泛滥式蒸发器中可以都用同一种管子构造。
本发明是一种传热管和一种传热管的制造方法，该传热管的外表面构造成可同时提高在制冷剂冷凝、泛滥蒸发和膜蒸发场合下的传热性能。
根据本发明，提供一种在管子的外壁上形成传热表面的方法，它包括以下工序：用一内部的芯杆支承所述管子的内部；将旋转的制翅片盘的工具组靠向所述管子的外壁以形成翅片圈，并且使所述管子旋转和沿轴线相对所述制翅片盘前进；围绕所述管子的圆周以一定间隔在所述前进和旋转的管子的翅片圈上刻槽，以在所述翅片圈上形成翅片体和与所述管壁成一体形成的近端部分；以及劈开所述翅片体的外端以在每个翅片体的外端上形成两个尖端；其特征在于，在所述刻槽工序的同时扭转所述翅片体，使尖端轴线角相对于槽口基部轴线角倾斜。
根据本发明，还提供一种传热管，它具有一外表面，其包括：至少一个围绕所述外表面而螺旋设置的翅片圈；围绕所述管子的圆周以一定间隔径向延伸入所述翅片圈的槽口，每个所述槽口具有一相对于所述管子的纵轴线成一个角的基部；所述槽口将所述翅片圈分成翅片体和近端部分，每个所述翅片体被劈成两部分，翅片体的外端具有两个尖端；每个所述劈口翅片体位于一对相邻的所述槽口之间，翅片体的最大宽度大于所述近端部分的最大宽度；其特征在于，每个劈口翅片体相对于其近端部扭曲，使翅片体的尖端部相对于管子的纵轴线的角度，相对于基部和管子纵轴线之间的角度是倾斜的。
在上述的传热管中，翅片节距(Pf)为0.38到0.76毫米之间；所述管子(10)具有一外径(Do)，所述翅片圈(20)具有一翅片高度(Hf)，所述翅片高度与所述外径之比(Hf/Do)在0.026到0.067之间；每个管周的一个翅片圈中的所述槽口(30)的数量在60到190之间；所述槽口基部和所述管子纵轴线(Ar)之间的夹角在30到65度之间；所述槽口基部(32)，其槽口基部高度(Hn)为所述翅片高度的050到080之间；所述尖端(23)以一个劈口角(δ)而彼此向外延伸；以及所述翅片体尖端轴线角度(β)在20到65度之间。
在上述的传热管中，所述劈口角(δ)在70到130度之间。
在上述的传热管中，所述翅片节距为0.42到0.60毫米，所述槽口角为50度，以及每个管周的一个翅片圈中的槽口(30)的数量为110到140。
该管在其外表面上形成有一或多圈翅片。槽口以一定间隔斜角穿过翅片圈而绕管子的圆周面延伸。一个翅片圈在该翅片圈中相邻槽口之间的部分形成一翅片体。翅片体的末梢劈成两个尖端部分。每个尖端部分从最接近的翅片基部向外朝相邻翅片圈中的劈口的翅片尖端延伸。
与传统的翅片管相比，槽口和劈开的尖端可进一步增大管子的外表面面积。相邻翅片圈之间的槽的上面延伸有劈开的翅片尖端，形成可促进泛滥式蒸发器中的制冷剂池沸腾的凹腔。
在一种冷凝和降膜蒸发场合下，相对较锐的尖端可促进制冷剂从翅片排出和蔓延。在大多数装置中，壳管式空调换热器中的管子水平地或接近水平地延伸。对于水平的管子，槽口和劈口翅片的构造可促进冷凝的制冷剂从翅片排入管表面上部的翅片之间的槽，还可促进被冷凝的制冷剂从管表面的下部排出。在膜蒸发模式中，锐利的尖端和槽口以及较低的制冷剂表面张力有助于液体在管表面上和沿管轴蔓延。这可使水平壳管式降膜蒸发器具有良好的可湿性。
利用使管壁在内部芯杆与外部制翅片盘之间滚轧而在管子的外表面上形成翅片的制翅片机，在其工具组中增加一或多个刻槽盘和一或多个劈口盘，就可方便而经济地完成带槽口和劈口尖端的翅片管的制造。刻槽口工具构造成可在圆的翅片体上施加一个扭转，以便将该翅片体的尖端劈开。
附图构成本说明书的一部分。在所有这些附图中，相同的标号表示相同的部件。
图1表示本发明的管子。
图2表示本发明的管子是如何制造的。
图3是本发明的管子的一部分外表面的俯视图。
图4是本发明的管子的单圈翅片中的一部分的俯视图。
图5是本发明的管子的两相邻翅片圈的类剖视图。
图1示出了传热管10。管子10包括管壁11、管内表面12和管外表面13。从管壁11的外表面上延伸出来的是翅片体22。管子10具有从管外表面13测量的外径Do，它不包括翅片体22的高度(Hf)。
本发明的管子可以很容易地通过一滚轧工艺来制造。图2示出了这样一种工艺。在图2中，制翅片机60正在对由诸如铜之类的延展性金属制成的管子10进行加工，从而在管子上产生内部肋条和外部翅片。制翅片机60具有一或多个工具轴，每根工具轴含有一工具组62，该工具组由一些制翅片盘63、刻槽盘66和劈口盘67组成。延伸到管子中的是芯杆轴65，上面装有芯杆64。
管壁11随管子10的旋转而被压于芯杆64与制翅片机63之间。在压力下，金属塑变进入制翅片盘之间的槽中，在管子的外表面上形成肋条或翅片。随着转动，管子10在芯杆64与工具组62之间进给(在图2中从左向右)，因而在管子上形成一些螺旋的翅片圈。圈数是工具组62中的制翅片盘63数量和制翅片机60上所用的工具轴61数量的函数。在同一路线上，在工具组62于管子10上形成翅片圈后，刻槽轮66在翅片圈的金属上压制斜角的槽口。斜角的槽口形成后，劈口盘67将每个翅片圈的翅片体劈成两部分。
芯杆64可以按这样一种方式来构造，如图2所示，它在经过它上面的管壁的内表面12上施加某些类型的图案。典型的图案是一或多个螺旋的肋条圈。这种图案可提高流过管子的流体与管壁之间的传热率。
图3以俯视图的形式示出了管子的一部分外表面。从管子10的外表面13上延伸出来的是一些翅片圈20。穿过各翅片圈并以一定间距斜角延伸的是槽30图案。在所形成的翅片圈中的一对相邻的槽口之间的是一翅片体22，它具有两个尖端23。
图4是本发明的管子的单个翅片圈中的一部分的俯视图。槽口基部31相对于管子纵轴线AT的倾斜角为α。翅片22的尖端23相对于管子纵轴线AT的倾斜角为β。在管子的制造过程中(见图2)，旋转进给管子10和刻槽盘66之间的相互作用可使翅片体22的轴线略微地转离刻槽轮的齿与翅片圈之间的夹角，使尖端轴线角β相对于角α而倾斜，即β≠α。但是，在特殊情况下，β＝α也是可能的。正是由于翅片体的这种转动，才允许劈口盘67可靠地劈开翅片体，因为刻出的翅片体所提供的可供劈口的表面比未刻槽的翅片圈的更宽。
已经发现，如果刻槽轮的角度大于40°，并且刻槽轮上相邻的齿之间的间隔小于0.0125英寸，则翅片体将会发生扭转。翅片体的扭转可使翅片体的劈口能更有效地进行。更具体地说，若没有扭转，翅片尖端的厚度将太小以致无法可靠地劈开翅片体。通过扭转，刻槽后而劈口前的翅片体的形状基本为平行四边形。在进行劈口后，该平行四边形被沿其对角线劈开，形成两个三角形。
图5是本发明的管子的两相邻翅片圈的伪剖视图。使用术语“伪”是因为沿翅片圈任何部分截得的剖视图看起来都不大可能象图5所示的剖视图。然而，该附图可用于示出管子的许多特点。翅片圈20A和20B从管壁11向外延伸。翅片圈20A和20B具有近端部分21和翅片体部分22。延伸通过翅片圈20A的是一条槽口基部32。翅片圈20A和20B的总高为Hf。近端部分21的宽度为Wr，翅片体部分22的尺寸最宽处的宽度为Wt。翅片体22的外端具有两个尖端23。槽口刻入翅片圈到达内壁表面13上方Hn处。
应予理解的是，在制造过程中，刻槽轮66(图2)不是将槽口从翅片圈中切去，而是通过将材料移出刻槽区而将槽口压入翅片圈。来自翅片圈的刻槽部分的多余材料同时移入相邻槽口之间的区域和从翅片圈的侧部向外移，并朝翅片圈侧部的管壁11移。因此，Wt大于Wr。相邻翅片圈上的相同点之间的距离或称翅片节距为Pf。翅片体部分22上的两个尖端之间的夹角或称劈口角为δ。从一个翅片圈的侧部延伸出来的一个尖端朝该侧相邻的翅片圈延伸，两尖端之间留有间隙g。
当管子用于一种冷凝场合下时，相对较多数量的锐利尖端可促进管子表面上的冷凝。由于尖端覆盖相邻翅片圈之间的体积，因此形成一种凹腔，这样也就形成了可促进蒸发的管表面。
我们已经对按照本发明的技术制造的使用制冷剂R-134a的两组主要类型的管子进行了试验。这两种主要类型的管子的相关参数为：
主要类型组A-
公称外径(Do)-1.9厘米(3/4英寸)，
翅片节距(Pf)-0.6毫米(0.024英寸)或每厘米16.5个翅片(每英寸42个翅片)，
翅片高度(Hf)-0.79毫米(0.031英寸)，
槽口基部高度(Hn)-0.58毫米(0.023英寸)，
槽口角(α)-50度、30度、45度，
劈口角(δ)-70度、90度、110度，
槽口密度，或每个管周一个翅片圈中的槽口数量-80，140。
主要类型组B-
公称外径(Do)-1.9厘米(3/4英寸)，
翅片节距(Pf)-0.45毫米(0.018英寸)或每厘米22个翅片(每英寸56个翅片)，
翅片高度(Hf)-0.58毫米(0.024英寸)，
槽口基部高度(Hn)-0.35毫米(0.014英寸)，
槽口角(α)-50度，
劈口角(δ)-90度，
槽口密度，或每个管周一个翅片圈中的槽口数量-140。
我们将这两种主要类型的管子的性能与一种外表面光滑的管子的性能在热通量条件的范围内进行了比较。在一种蒸发场合下，主要类型组A的性能平均约为光滑管子的性能的2.5倍，主要类型组B的性能约为光滑管子的性能的3倍。在一种冷凝场合下，主要类型组A的性能平均约为光滑管子的性能的19倍，主要类型组B的性能约为光滑管子的性能的23倍。
从试验数据可推断出，在公称外径为12.5毫米(1/2英寸)到25毫米(1英寸)的管子中可获得类似的性能，其中：
a)翅片节距为0.38到0.76毫米(0.015到0.030英寸)，或0.38mm≤Pf≤0.76mm(0.015英寸≤Pf≤0.030英寸)；
b)翅片高度与管外径之比在0.026到0.067之间，或0.026≤Hf/Do≤0.067；
c)槽口密度为60到190；
d)槽口轴线与管纵轴线之间的夹角在20度到65度之间，或20°≤α≤65°；
e)槽口基部的高度为翅片高度的0.50到0.8之间，或0.50≤Hn/Hf≤0.8；
f)一个翅片体上的两个尖端之间的夹角在70度到130度之间，或70°≤δ≤130°。
所试验的主要类型管子具有三个圈或“头”。在确定翅片圈或头的最佳数量时，对制造方便程度的考虑要甚于数量对传热性能影响的考虑。头数越多，使翅片圈形成于管表面上的费用也越高。

Claims (6)

1.一种在管子(10)的外壁(11)上形成传热表面的方法，它包括以下工序：
用一内部的芯杆(64)支承所述管子(10)的内部；
将旋转的制翅片盘(63)的工具组(62)靠向所述管子(10)的外壁(11)以形成翅片圈(20)，并且使所述管子(10)旋转和沿轴线相对所述制翅片盘(63)前进；
围绕所述管子(10)的圆周以一定间隔在所述前进和旋转的管子(10)的翅片圈(20)上刻槽，以在所述翅片圈(20)上形成翅片体(22)和与所述管壁(11)成一体形成的近端部分(21)；以及
劈开所述翅片体(22)的外端以在每个翅片体(22)的外端上形成两个尖端(23)；
其特征在于，在所述刻槽工序的同时扭转所述翅片体(22)，使尖端轴线角相对于槽口基部轴线角倾斜。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻槽工序移动材料而形成所述尖端，所述移位的材料形成所述翅片体在其外端处的最大宽度(Wt)。
3.一种传热管(10)，它具有一外表面，其包括：
至少一个围绕所述外表面而螺旋设置的翅片圈(20)；
围绕所述管子的圆周以一定间隔径向延伸入所述翅片圈的槽口(30)，每个所述槽口具有一相对于所述管子的纵轴线(AT)成一个角(α)的基部；
所述槽口将所述翅片圈分成翅片体(22)和近端部分(21)，每个所述翅片体(22)被劈成两部分，翅片体的外端具有两个尖端(23)；
每个所述劈口翅片体位于一对相邻的所述槽口之间，翅片体的最大宽度(Wt)大于所述近端部分的最大宽度(Wr)；
其特征在于，每个劈口翅片体(22)相对于其近端部扭曲，使翅片体(22)的尖端部相对于管子(10)的纵轴线(AT)的角度(β)，相对于基部和管子纵轴线(AT)之间的角度(α)是倾斜的。
4.如权利要求3所述的传热管，其特征在于，
翅片节距(Pf)为0.38到0.76毫米之间；
所述管子(10)具有一外径(Do)，所述翅片圈(20)具有一翅片高度(Hf)，所述翅片高度与所述外径之比(Hf/Do)在0.026到0.067之间；
每个管周的一个翅片圈中的所述槽口(30)的数量在60到190之间；
所述槽口基部和所述管子纵轴线(Ar)之间的夹角在30到65度之间；
所述槽口基部(32)，其槽口基部高度(Hn)为所述翅片高度的0.50到0.80之间；
所述尖端(23)以一个劈口角(δ)而彼此向外延伸；以及
所述翅片体尖端轴线角度(β)在20到65度之间。
5.如权利要求4所述的传热管，其特征在于，所述劈口角(δ)在70到130度之间。
6.如权利要求4所述的传热管，其特征在于，
所述翅片节距为0.42到0.60毫米，
所述槽口角为50度，以及
每个管周的一个翅片圈中的槽口(30)的数量为110到140。
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