CN100547339C - 一种强化传热管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种强化传热管及其制作方法，属于热交换部件及制造技术领域。它包括管体和由所述的管体上的材料沿管体的半径方向延展并且在管体的外表面绕管体呈螺旋状延伸而成的与管体构成为一体的外翅片，所述的外翅片的至少一个侧表面上构成有微尺度槽道。优点：由于在外翅片的至少一侧的侧表面上构成有微尺度槽道，因此有助于使外翅片的表面增大换热面积以及提高了对流体的扰动，强化了管外强迫对流换热，使传热系数得到显著改善；当本发明的强化传热管用于蒸发器时，微尺度槽道可大增加汽化核心的数目，使沸腾换热在低热流密度的情况下得到强化；当本发明的强化传热管用于冷凝器时，微尺度槽道能改善外翅片表面液膜厚度的分布，使得凝结换热得到强化。

Description

一种强化传热管及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种强化传热管，用作制冷和空调系统中的蒸发器和冷凝器的热交换部件，并且还涉及这种强化传热管的制作方法，属于热交换部件及制造技术领域。
背景技术
在制冷、空调、过程工程、石油化工以及能源与动力工程等领域，都要涉及到液体在管束外表面的沸腾或凝结。尤其是制冷和空调系统中所用的蒸发器和冷凝器，制冷剂在管外沸腾或凝结时的相变换热热阻与管内强制对流换热热阻相当甚至大于管内强制对流换热热阻，因此，强化管外的相变换热对于提高蒸发器和冷凝器的传热性能可以起到显著的效果。
关于核态沸腾机理的研究表明，液体的沸腾需要有汽化核心的存在。在给定的加热表面的过热度条件下，只有当汽化核心的半径大于气泡生长所需的最小半径，气泡才能长大，核态沸腾才能进行。而加热表面上的凹槽和/或裂缝所形成的空穴最可能成为汽化核心。在沸腾过程中，当气泡长大脱离空穴后，由于液体表面张力的作用，这些空穴所截留的部分蒸汽很难被流入液体彻底逐出，就成为新的汽化核心，长出新的气泡，从而使沸腾过程不断持续。由此可知，要强化核态沸腾换热，关键在于在加热表面形成众多的汽化核心。因此，始于20世纪70年代的强化沸腾传热表面的许多开发工作都是围绕着在加热表面形成众多结构展开的，而且在众多的文献中可以见诸，例如中国专利ZL95246323.7(授权公告号CN2257376Y)和中国专利ZL03207498.0(授权公告号CN2662187Y)公开的蒸发器用热交换管，其外表面为顶部压成T形的螺旋翅片，以构成沟槽结构；中国专利ZL95118177.7(授权公告号CN1090750C)和中国专利ZL02263461.4(授权公告号CN2557913Y)公开的热交换管，其外表面没有具有沿圆周方向均布着斜齿的螺旋翅片，通过对翅片施压使翅片齿顶向两侧延展而构成空穴结构；中国专利申请公开说明书CN1366170A(申请号02101870.7)公开的热交换管，其外表面采用机械加工方法形成翅片，在翅片之间的初级沟槽的槽底形成次级沟槽；中国专利公开号CN1100517A(申请号94116309.1)公开的热交换管，其外表面的翅片被压成朝向一边倾倒，通过在翅片肩部再压凹槽而构成空穴结构；中国专利ZL02264793.7(授权公告号CN2572324Y)公开的蒸发器用热交换管，其外表面采用机械加工方法形成具有锯齿结构的螺旋片，并在锯齿顶部压出斜槽，藉(借)以构成空穴结构；中国专利申请公开说明书CN1731066A(申请号200510041468.6)公开的热交换管，其外表面采用机械加工方法形成翅片和横刺，形成复式空穴结构。
上述文献对热交换管的外壁表面即习惯所称的外翅片的结构的共同特点是具有开口略小的沟槽结构或空穴结构，以构造出形成汽化核心的场所或称载体，从而达到强化沸腾换热的效果。
近年来，人们仍在致力于对翅片表面的结构进行探索，期取获得更多数量的汽化核心，使相变换热的换热系数进一步提高的传热管，这种传热管即使对于没有相变传热过程并能确保强化传热管在不降低其机械强度的条件下大大增加换热面积，增强流体流过换热面时的扰动，破坏速度边界层和温度边界层，从而提高换热性，并使传热管的重量有所下降。
然而，在已公开的文献中尚未见诸有表现于蒸发器和冷凝器热交换管管外的外翅片的结构能体现出具有显著提高相变换热系数的技术启示，也未见诸有通过一种合适的机械加工方法在强化传热管的外翅片表面加工出得以显著提高相变换热系数的加工手段。
发明内容
本发明的任务是要提供一种能使外翅片的表面具有较大换热面积以体现理想的传热性能的强化传热管。
本发明的任务还在于提供一种强化传热管制制作方法，该方法能保障强化传热管的外翅表面加工出得以显著提高相变换热系数的构造。
本发明的任务是这样来完成的，一种强化传热管，它包括管体和由所述的管体上的材料沿管体的半径方向延展并且在管体的外表面绕管体呈螺旋状延伸而成的与管体构成为一体的外翅片，所述的外翅片的至少一个侧表面上构成有第一微尺度槽道，所述的外翅片的上部构成有凹槽，两相邻凹槽之间形成有齿台，所述凹槽的深度小于外翅片的高度，凹槽和齿台将外翅片构成锯齿状，齿台所面向凹槽的对应两侧的一对齿台侧表面中的至少一个齿台侧表面上开设有至少1条从齿台根部向顶部延伸的弧形第二微尺度槽道，该弧形第二微尺度槽道的宽度为0.001-0.5mm，深度为0.001-0.2mm；所述的齿台的顶部两侧构成有由齿台的材料向两侧延展而构成的翅顶边缘。
本发明所述的形成于所述外翅片的至少一个侧表面上的所述第一微尺度槽道以密集形态构成。
本发明所述的第一微尺度槽道的槽宽为0.001-0.5mm，槽深为0.001-0.2mm。
本发明所述的第一微尺度槽道之间的平均间距为0.005-5.0mm。
本发明的还一任务是这样来完成的，一种强化传热管的制作方法，由外翅片开槽刀、外翅片成型刀和微尺度槽道开槽刀构成第一刀具组，将第一刀具组安装于刀架上，使管体作与所述的第一刀具组相对转动，在管体与第一刀具组相对转动的过程中，由外翅片开槽刀和外翅片成型刀使管体上的材料沿管体的半径方向延展并且在管体的外表面绕管体呈螺旋状延伸而形成与管体构成为一体的外翅片，与此同时由微尺度槽道开槽刀的边缘所均布的刀口在外翅片的侧表面上刻划出微尺度槽道。
一种强化传热管制制作方法，由外翅片开槽刀、外翅片成型刀和微尺度槽道开槽刀构成第一刀具组，将第一刀具组安装于刀架上，使管体作与所述的第一刀具组相对转动，在管体与第一刀具组相对转动的过程中，由外翅片开槽刀和外翅片成型刀使管体上的材料沿管体的半径方向延展并且在管体的外表面绕管体呈螺旋状延伸而形成与管体构成为一体的所述外翅片，与此同时由微尺度槽道开槽刀的边缘所均布的刀口在外翅片的侧表面上刻划出所述第一微尺度槽道；由翅顶开槽刀和微尺度槽道开槽刀构成第二刀具组，将第二刀具组安装于刀架上，使管体作与所述的第二刀具组相对转动，在管体与第二刀具组相对转动的过程中，由翅顶开槽刀在所述的外翅片的上部切割出凹槽，藉由两相邻凹槽之间形成的齿台使外翅片呈锯齿状，与此同时由微尺度槽道开槽刀的边缘所均布的刀口对齿台所面向凹槽的对应两侧的齿台侧表面中的至少一个齿台侧表面上开设出至少一条从齿台根部向顶部延伸的所述弧形第二微尺度槽道。
本发明所述的微尺度槽道开槽刀由两片边缘形成有齿状的刀口的圆盘状的薄刀片组成，在两片圆盘状的薄刀片之间置入有凹垫片，而两片圆盘状的薄刀片所背向凹垫片的一侧各设置有一凸垫片，凹、凸垫片的直径小于薄刀片的直径，凹垫片和一对凸垫片以及两片薄刀片固定后，薄刀片的刀口沿薄刀片轴向向两侧翘起。
本发明所述的微尺度槽道开槽刀是边缘设有齿状刀口的圆盘刀片，所述齿状刀口向圆盘刀片的两侧面交替偏转。
本发明推荐的强化传热管与已有技术中的翅片管相比的优点：由于在外翅片的至少一侧的侧表面上构成有微尺度槽道，因此有助于使外翅片的表面增大换热面积以及提高了对流体的扰动，强化了管外强迫对流换热，使传热系数得到显著改善；当本发明的强化传热管用于蒸发器时，微尺度槽道可大增加汽化核心的数目，使沸腾换热在低热流密度的情况下得到强化；当本发明的强化传热管用于冷凝器时，微尺度槽道能改善外翅片表面液膜厚度的分布，使得凝结换热得到强化。
附图说明
图1为本发明强化传热管的一实施例结构图。
图2为本发明强化传热管的另一实施例结构图。
图3为图1结构的强化传热管的制作示意图。
图4为图2结构的强化传热管的制作示意图。
图5为图4的A-A剖视放大示意图。
图6为微尺度槽道3的位置计算示意图。
图7为微尺度槽道开槽刀9的结构示意图。
图8为微尺度槽道开槽刀9的另一种实施例结构放大示意图。
图9为管体1与刀具在不同转速比时的微尺度槽道3的槽道轨迹示意图。
具体实施方式
实施例1：
请见图1，在具有内翅片17的管体1的外壁上一次加工成型轧制出外翅片2，制作出一种强化传热管，外翅片2由管体1上的材料沿管体1半径方向向外延展形成，并与管体1为一整体结构，它们之间设有接触热阻，外翅片2在管体1外表面绕管体1以螺旋状延伸；在轧制外翅片2的同时，由刀具在外翅片2的侧表面上加工出密集的微尺度槽道3，这些微尺度槽道3是微尺度槽道开槽刀9(图3、图4示)在与外翅片2作相对转动时划出的一簇密集曲线，在外翅片2的两侧表面上，这簇曲线形成网格状的结构，该网格状结构的微尺度槽道3具体尺寸参数为：槽宽0.1mm，槽深0.02mm，平均间距0.5mm。这种网格状的微尺度槽道3的结构增加了扰动，破坏了边界层，并且显著增加换热面积，强化传热过程。对于沸腾换热，相当于在外翅片2的表面增加了大量汽化半径极小的汽化核心；对于凝结换热，可改变液膜的张力分布，从总体上进一步减薄液膜厚度，提高换热性能。由于在微尺度槽道3的加工过程中被挤出的那部分材料还会使外翅片2的高度略有增加，但不会使管体1的强度降低，因此可以在传热性能得到进一步提高的同时降低管体1的重量。
请见图2，当上述强化传热管用于冷凝器的热交换管时，在轧制出外翅片2并在外翅片2的侧表面上刻划出微尺度槽道3之后，还要用齿顶开槽刀11(图4示)在外翅2上切割出凹槽4，相邻凹槽4之间形成有齿台5，凹槽4的深度小于外翅片2的高度，并且凹槽4与齿台5将外翅片2构成锯齿状；与此同时，微尺度槽道开槽刀9(图3、图4示)在凹槽4两侧相对的齿台5表面上刻划出至少一条从齿台5根部向顶部延伸的弧形微尺度槽道6，该弧形微尺度槽道6是由微尺度槽道开槽刀9在齿台5侧表面作相对转动时划出的，其形状由特定的转速比决定。齿台5侧表面上附加的弧形微尺度槽道6能改善齿台5侧表面上液膜的表面张力分布，有助于提高总体凝结换热性能。
仍见图2，当上述强化传热管用于蒸发器的热交换管时，在经过上述的加工后，在外翅片2的侧面上刻出微尺度槽道3以及齿台5侧表面刻出弧形微尺度槽道6之后，还要使齿台5顶部的材料向两侧延展构成翅顶边缘5a，翅顶边缘5a与由相邻外翅片2的齿台5顶部的材料同样地向两侧延展构成翅顶边缘5a相互接应，从而使得两相邻外翅片2之间的空间呈空穴结构，而外翅片2侧面的微尺度槽道3以及齿台5侧表面的弧形微尺度槽道6则成为空穴的内部结构，这些微尺度槽道3和弧形微尺度槽道6不仅增加了空穴的内部换热面积，更重要的是保证了空穴在较低过热度时仍然具有小直径的汽化核心，使空穴始终处于活化状态，使热交换管在低热流密度时仍然具有较高的换热性能。当本发明的强化传热管用于蒸发器的热交换管时，也可以不设齿台5以及弧形微尺度槽道6。
实施例2：
请见图3和图6，配备外翅片开槽刀7、外翅片成型刀8和微尺度槽道开槽刀9，并且将这组刀具安装在刀架16(也可称刀轴)上，其中，微尺度槽道开槽刀9的边缘均匀设有多个刀口10(图6示)，外翅片2是在管体1上通过挤压方法一次加工成型的，典型的尺寸是管体1在外翅片2根部的直径为20mm。在管体1与上述刀具的相对转动过程中，由外翅片开槽刀7和外翅片成型刀8成型出高度为2mm的外翅片2，同时由微尺度槽道开槽刀9上的刀口10(图6示)在外翅片2的侧面上刻划出有规则的槽宽为0.08mm、槽深为0.05mm、平均槽距为0.5mm的微尺度槽道3。这里所提到的平均槽距的定义为：相邻微尺度槽道3的中心线所围的面积除以这两条中心线的长度的算术平均值。
请具体见图6，微尺度槽道3在外翅片2侧表面的位置是这样来计算的，设微尺度槽道3在外翅片2上最深的位置的半径为r，刀口10到微尺度槽道开槽刀9轴心的距离为R，管体1旋转的角速度为ω1，微尺度槽道开槽刀9旋转的角速度为ω2，时间为t，如果把坐标系设在管体1上，随着管体1旋转，即相当于管体1不动，微尺度槽道开槽刀9除了以ω2自转外还绕管体1的轴心位置(X，Y)＝(O，O)以角速度ω1公转，那么，刀口10在外翅片2的侧表面刻划出的轨迹可以用下式计算：
X＝ρ·Cosθ
Y＝ρ·Sinθ
其中，
ρ = X ′ 2 + Y ′ 2
θ＝arctan(Y′/X′)+ω1·t
X′＝r+R-R·Cos(ω2·t)
Y′＝-R·Sin(ω2·t)
请见图9，该图给出了更多的在外翅片2的侧表面刻划出的微尺度槽道3的形状，计算参数为：微尺度槽道3在外翅片2上最深的位置的半径r＝8mm，刀口10到微尺度槽道开槽刀9轴心的距离R＝20mm，相邻刀口10之间的间距S＝1mm，转速成比ω2/ω1分别为0.35、0.40、0.47、0.65和1.20，具体由图9中的五幅单列的图9a、图9b、图9c、图9d和图9e分别示意了微尺度槽道3的形状。
如图6所示的微尺度槽道3的计算参数为r＝16mm，R＝40mm，ω2/ω1＝＝r/R＝0.4，微尺度槽道开槽刀9上相邻刀口10的间距为S＝1mm。
请见图7，微尺度槽道开槽刀9可以这样制作，由两边缘设有齿状的刀口10的圆盘形薄刀片12组成，齿的形状可以是三角形的锯齿，也可以是矩形齿，或者其它形状，本实施例择三角形的锯齿。两片薄刀12片之间夹有凹垫片13，两端即背向凹垫片13的一侧各有一凸垫片14，凹、凸垫片13、14的直径均小于薄刀片12的直径，刀具被紧固后，薄刀片12的刀口10沿刀具轴向向两侧略微翘起。由于凹、凸垫片13、14的直径小于薄刀片12，因此薄刀片12具有一定的弹性，不会在外翅片2上形成过于深的切口。对于外翅片2的截面为梯形的传热管建议使用这种薄刀片12。
请见图8，微尺度槽道开槽刀9还可以这样制作，将微尺度槽道开槽刀9构成为边缘设有齿状刀口的圆盘状刀片15，并且使圆盘状刀片15的齿状刀口15a交替向两个侧面偏转，形成图示的齿状刀口15a，齿的形状可以是三角形的锯齿，也可以是矩形，或者其它形状，本实施例择三角形的锯齿。
实施例3：
请见图4和图5并且结合图2，以制作作为冷凝管使用的并且由图2示意的本发明的强化传热管为例。
具体结构包括管体1、在管体1外壁面上形成的外翅片2，在外翅片2上切割出有凹槽4，两相邻凹槽4之间形成有齿台5，凹槽4的深度小于外翅片2的高度，凹槽4和齿台5将外翅片2构成锯齿状，凹槽4两侧相对的齿台5表面有1至2条从齿台5根部向顶中延展的弧形微尺度槽道6(图5示)并且在外翅片2的两侧的侧表面上构成有微尺度槽道3，外翅片2高1.2mm，齿台5高0.8mm、微尺度槽道3和弧形微尺度槽道6的槽宽各为0.05mm、槽深各为0.01mm。
制作时，采用外翅片开槽刀7和外翅片成型刀8组成第一组加工刀具组在管体1外壁面上形成外翅片2；采用翅顶开槽刀11和微尺度槽道开槽刀9组成第二组加工刀具，微尺度槽道开槽刀9的边缘均匀设有多个刀口10，这组刀具以特定的转速成旋转，转速比ω2/ω1＝＝1.14·r/R，翅顶开槽刀11在外翅片2上切割出凹槽4，微尺度槽道开槽刀9是一片由图8所示的边缘设有齿状刀口15a的圆盘刀片15，圆盘边缘的锯齿的齿距为0.5mm，并且交错向圆盘两侧倾斜，锯齿的齿尖形成齿状刀口15a并且在凹槽4与相邻凹槽4相对的侧面上刻划出一组从齿台5根部向顶部延展的弧形微尺度槽道6，这组刀具对外翅片2的加工方式由图4所示；采用外翅片成型刀8和微尺度槽道开槽刀9组成第三组加工刀具，微尺度槽道开槽刀9的边缘均匀设有多个刀口10，这组刀具以转速比ω2/ω1＝＝r/R旋转，由外翅片成型刀8切除在切割凹槽4的过程中自凹槽4底部向外翅片2两侧延展伸出的多余部分的材料翅片，微尺度槽道开槽刀9在外翅片2的侧面上刻划出有规则的密集的微尺度槽道3。
实施例4：
仍请见图4和图5并且结合图2，以制作作为蒸发管使用的并且由图2示意的本发明的强化传热管为例。
这种传热管包括管体1、在管体1外壁面上形成的外翅片2，在外翅片2的侧表面上形成有密集的微尺度槽道3，以及在外翅片2上还切割出有凹槽4，且两相邻凹槽4之间形成有齿台5，凹槽4的深度小于外翅片2的高度，凹槽4和齿台5将外翅片2构成锯齿状，用平滚轮将齿台5顶部的材料向两侧延展构成翅顶边缘5a，翅顶边缘5a与由相邻外翅片2的齿台5顶部的材料同样地向两侧延展构成的翅顶边缘5a互相接应，从而使得两相邻外翅片2之间呈空穴结构，而外翅片2侧面的微尺度槽道3则成为空穴的内部微结构。本实施例所得到的外翅片2的高度为0.98mm，微尺度槽道3的槽宽0.02mm、槽深0.01mm。在制作过程中，采用两把微尺度槽道开槽刀9，微尺度槽道开槽刀9的边缘的齿状的刀口10的齿距为0.5mm，两把微尺度槽道开槽刀9的刀口10错开半个齿距，转速比ω2/ω1＝＝r/R1，从而在外翅片2的侧表面刻划出间距为0.25mm的网格状分布的微尺度槽道表面结构。

Claims (7)

1、一种强化传热管，它包括管体(1)和由所述的管体(1)上的材料沿管体(1)的半径方向延展并且在管体(1)的外表面绕管体(1)呈螺旋状延伸而成的与管体(1)构成为一体的外翅片(2)，其特征在于所述的外翅片(2)的至少一个侧表面上构成有第一微尺度槽道(3)，所述的外翅片(2)的上部构成有凹槽(4)，两相邻凹槽(4)之间形成有齿台(5)，所述凹槽(4)的深度小于外翅片(2)的高度，凹槽(4)和齿台(5)将外翅片(2)构成锯齿状，齿台(5)所面向凹槽(4)的对应两侧的一对齿台侧表面中的至少一个齿台侧表面上开设有至少1条从齿台(5)根部向顶部延伸的弧形第二微尺度槽道(6)，该弧形第二微尺度槽道(6)的宽度为0.001-0.5mm，深度为0.001-0.2mm；所述的齿台(5)的顶部两侧构成有由齿台(5)的材料向两侧延展而构成的翅顶边缘(5a)。
2、根据权利要求1所述的强化传热管，其特征在于：形成于所述外翅片(2)的至少一个侧表面上的所述第一微尺度槽道(3)以密集形态构成。
3、根据权利要求1或2所述的强化传热管，其特征在于：所述的第一微尺度槽道(3)的槽宽为0.001-0.5mm，槽深为0.001-0.2mm。
4、根据权利要求3所述的强化传热管，其特征在于：所述的第一微尺度槽道(3)之间的平均间距为0.005-5.0mm。
5、一种如权利要求1所述的强化传热管的制作方法，其特征在于：由外翅片开槽刀(7)、外翅片成型刀(8)和微尺度槽道开槽刀(9)构成第一刀具组，将第一刀具组安装于刀架(16)上，使管体(1)作与所述的第一刀具组相对转动，在管体(1)与第一刀具组相对转动的过程中，由外翅片开槽刀(7)和外翅片成型刀(8)使管体(1)上的材料沿管体(1)的半径方向延展并且在管体(1)的外表面绕管体(1)呈螺旋状延伸而形成与管体(1)构成为一体的所述外翅片(2)，与此同时由微尺度槽道开槽刀(9)的边缘所均布的刀口(10)在外翅片(2)的侧表面上刻划出所述第一微尺度槽道(3)；由翅顶开槽刀(11)和微尺度槽道开槽刀(9)构成第二刀具组，将第二刀具组安装于刀架(16)上，使管体(1)作与所述的第二刀具组相对转动，在管体(1)与第二刀具组相对转动的过程中，由翅顶开槽刀(11)在所述的外翅片(2)的上部切割出凹槽(4)，藉由两相邻凹槽(4)之间形成的齿台(5)使外翅片(2)呈锯齿状，与此同时由微尺度槽道开槽刀(9)的边缘所均布的刀口(10)对齿台(5)所面向凹槽(4)的对应两侧的齿台侧表面中的至少一个齿台侧表面上开设出至少一条从齿台(5)根部向顶部延伸的所述弧形第二微尺度槽道(6)。
6、根据权利要求5所述的强化传热管，其特征在于所述的微尺度槽道开槽刀(9)由两片边缘形成有齿状的刀口(10)的圆盘状的薄刀片(12)组成，在两片圆盘状的薄刀片(12)之间置入有凹垫片(13)，而两片圆盘状的薄刀片(12)所背向凹垫片(13)的一侧各设置有一凸垫片(14)，凹、凸垫片(13、14)的直径小于薄刀片(12)的直径，凹垫片(13)和一对凸垫片(14)以及两片薄刀片(12)固定后，薄刀片(12)的刀口(10)沿薄刀片(12)轴向向两侧翘起。
7、根据权利要求5所述的强化传热管，其特征在于所述的微尺度槽道开槽刀(9)是边缘设有齿状刀口(15a)的圆盘刀片(15)，所述齿状刀口(15a)向圆盘刀片(15)的两侧面交替偏转。
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