CN1012281B - 热交换器 - Google Patents

热交换器

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Abstract

一种热交换器，使靠近传热管列管中心下流侧切起的细片沿翅片套管纵向延伸，使其自翅片基板立起部的端部相对流体流动的方向朝传热管以35°以下角度倾斜，使沿更下流侧切起的细片同样沿纵向延伸，使其自翅片基板立起部的端部相对流体流动方向朝传热管以35°以上角度倾斜，且使与上述以35°以下角度倾斜的切起的细片立起部所形成角度在35°以下，这样能将流体不剥离地引向传热管后部，减少死水区域和传热性能显著提高。

Description

本发明和在翅片基板上嵌插传热管的翅片管形热交换器有关。
例如日本专利特开昭58-28991号公报上公开一种传统此种热交换器构造，包括传热管，翅片基板，设在翅片基板上的翅片套管，使上述传热管嵌入后进行热接合，分别从翅片基板上经精细切起细片，且分别构成短槽和长槽，此外，翅片基板分别具有对着流体流动方向的前缘部和后缘部。
上述热交换器是将直管组（传热管）相对翅片基板排列成正方形或交错状，通过在翅片基板上切起形成相对流体流动方向成直角的狭窄的切起细片而构成的交叉翅片管形热交换器，按照使相对上下直管组的列管中心线为对称那样设置切起细片，使直立列管间的中间不形成槽部位的尺寸为翅片基板的前缘部或后缘部和最靠近它们的切起细片间的间隔尺寸的两倍。因此，能用同一的金属压模自由地成形一列、二列、三列……的翅片基板，能按满足空调器等的送风输出选定翅片基板。此外，通过构成多列翅片基板，能构成具备除湿功能的空调器用的热交热器，同样能容易地构成按正方形或交错形排列的热交换器。还能提高翅片基板的传热效率和减少流动损失。
传统热交换器就如上述那样构成，若从流体流动方向看，在传热管的后部形成死水区域，也就是产生流体的滞流，这样就存在因在翅片基板内的死水区域范围内的传热性能显著降低而使热交换器的整个传热性能降低的问题。此外，也存在由于死水区域大，使得因传热管的形状引起的对流体的阻力变大，而使流动损失变大的问题。
本发明就是为了解决上述那样问题，其目的在于能获得使在传热 管相对流体流动方向的下流侧产生的死水区域小，从而使传热性能提高的同时，能抑制流体流动损失增加的高性能热交换器。
本发明热交换器是在翅片基板上形成翅片套管，此套管是为把传热管嵌插在其内，并使与该传热管间进行热接合，与此同时，在相邻的翅片套管间，从该翅片基板上切起形成多个和流体流动方向交叉的切起细片的翅片板管形热交换器，要在象把传热管包围起来那样，和翅片套管隔开形成切起细片的同时，使大致相互平行且在翅片基板两侧相互交替地形成，使靠近传热管列管中心的相对流体流动的下流侧的切起细片沿翅片套管那样沿纵向延伸，且使其端部的从翅片基板上立起部分相对流体流动方向朝传热管方向倾斜大约35°以下的角度而设置，且使比其更下流侧的切起细片沿相同的纵向延伸，使其端部的从翅片基板上立起部分以相对流体流动方向朝传热管方向大约35°以上角度倾斜，且使其与上述大致以35°以下角度倾斜的切起细片部的立起部分所成的角度约为35°以下。
本发明热交换器，由于是把靠近传热管列管中心的相对流体流动的下流侧的切起细片设置成要使其能沿翅片套管那样朝纵方向延伸，使其端部的从翅片基板立起的部分相对流体流动方向朝向传热管以约为35°以下的角度倾斜，把从其更下流侧的切起细片设置成同样使沿纵方向延伸，使其端部的从翅片基板立起部分相对流体流动方向朝向传热管以35°以上的角度倾斜，且要使其与上述以大约35°以下角度倾斜的切起细片的立起部分所成的角度约为35°以下，能使流体不剥离而导向传热管的后部，从而使死水区域减少。
实施例
对附图的简单说明。
图1是表示有关发明热交换大概形状的轴侧图，图2至图5是表示本发明的第一实施例，图2是翅片基板的俯视图，图3是沿图2Ⅰ -Ⅰ线剖面图，图4沿图2的Ⅱ-Ⅱ线剖面图，图5是对流动作说明的图，图6（a）、（b）、（c）是表示相对翅片基板的切起细片的流体流通方向的角度和传热性能及流动损失关系的特性图，图7是表示相对嵌插传热管用孔的外径和翅片基板的行列间距之比的传热性能和流动损失之比的最大值关系的特性图，图8（a）、（b）是表示测定传热性能和流动损失的翅片基板形状的俯视图，图9至图13是表示本发明第二实施例的图，图9是翅片基板的俯视图，图10是沿图9Ⅲ-Ⅲ线剖面图，图11是沿图6Ⅳ-Ⅳ线剖面图，图12是沿图9Ⅴ-Ⅴ线剖面图，图13是对流体流动作说明的图，图14至图17是表示本发明第三实施例的图，图14是翅片基板的俯视图，图15是沿图14Ⅵ-Ⅵ线剖面图，图16是沿图14Ⅶ-Ⅶ线剖面图，图17是对流体流动作说明的图。
图18至图22是表示本发明第四实施例的图，图18是翅片基板2的俯视图，图19是沿图18Ⅷ-Ⅷ线剖面图，图20是沿图18Ⅸ-Ⅸ线剖面图，图21是沿图18Ⅹ-Ⅹ线剖面图，图22为表示包含多根传热管1的翅片基板2的俯视图，图23是表示传统热交换器翅片基板的俯视图，图24是对相对传统翅片基板的流体流动作说明的图。
首先参看图23，图23是表示在日本专利特开昭58-28991号公报上公开的传统翅片板管形热交换器构造的剖面图。在图中，1是传热管，2是翅片基板，3是设在翅片基板2上的翅片套管，是使上述传热管1嵌入而后进行热接合。4、5是分别从翅片基板2上经精细切起的切起细片，且分别构成短槽和长槽。此外，2a、2b分别是翅片基板2的相对流体流动方向的前缘部和后缘部。
上述热交换器是将直管组（传热管1）对翅片基板2排列成正方形或交错状，通过在翅片基本2上切起形成相对流体流动方向成直角的狭窄的切起细片4、5而构成的交叉翅片管形热交换器，按照使相对上下直管组的列管中心线为对称那样设置切起细片4、5，把直立列 管间的中间不形成槽部位的尺寸L1设定成为L2的两倍，L2为翅片基板的前缘部2a、后缘部2b和靠近它们的切起细片间的间隔尺寸。因此，能用同一的金属压模自由地成形一列、二列、三列……的翅片基板，能按满足空调器等的送风输出选定翅片基板。此外，通过构成多列翅片基板，能构成具备除湿功能的空调器用的热交热器，同样能容易地构成按正方形或交错形排列的热交换器。还能得高翅片基板的传热效率和减少流动损失。
传统热交换器就如上述那样构成，如图24所示那样，若从流体流动方向A看，在传热管1的后部形成死水区域B，也就是产生流体的滞流，这样就存在因在翅片基板2内的死水区域B范围内的传热性能显著降低而使热交换器的整个传热性降低的问题。此外，也存在由于死水区域B大，使得因传热管1的形状引起的对流体的阻力变大，而使流动损失变大的问题。
图1为表示有关本发明板式翅片管形热交换器概貌的轴侧图。如图所示，使多根传热管1作为直列管嵌插入翅片基板2中，把各翅片基板2配置成相对流体流动方向为相互平行。
以下根据图2至图4对本发明第一实施例进行说明。图2是翅片基板2的俯视图，第3，图4是分别沿图2中的Ⅰ-Ⅰ线和Ⅱ-Ⅱ线剖面图，这里与表示传统结构的图23和图24中为同一符号者表示同一或相当的部分。图中，1为传热管，2为翅片基板，3为设置在翅片基板2上的多个翅片套管，使传热管1嵌入且和传热管1形成热接合。4、5和6、7为从翅片基板2切起形成的切起细片，它是在相邻的二个翅片套管间沿着和流体流动方向A交叉的方向切起。此外，这些细片还要象包围传热管1那样和翅片套管隔开而形成的同时，且使且相互大致平行，且在翅片基板2的两侧交替形成，还使其沿翅片套管3那样沿纵向延伸。
上述切起细片6是从流体流动方向看时，靠近传热管1的列管中心线相对流体流动方向后侧的切起细片，使从沿纵向延伸的端部翅片基板2立起的部分6a是相对流体流动方向A，朝传热管方向以角度α1倾斜而设置的部分，且使此角度α1＜35°。此外，切起细片7是位于上述切起细片后侧的切起细片，同样，使从沿纵方向延伸的从翅片基板2，立起的部分7a是相对流体流动方向A朝传热管方向以角度α2倾斜而设置的部分，使此角度α2＜35°，且使（α2-α1）＜35°。
在上述构成的热交换器中，使流体从翅片基板2的前缘部2a流入，然而如图5所示那样，流体在传热管1附近沿传热管1流动。通过此传热管附近的流体，如图中箭头方向所示，沿着相对流体流动方向A朝传热管1以角度α1倾斜的切起细片6的立起部分6a流动，进而沿着朝传热管1方向以角度α2倾斜的切起细片7的立起部分a流动，并流入传热管1的后部。其结果使传热管1的后方的死水区域B显著减小，和使翅片基板2的传热性能是高，与此同时，使用传热管1的形状引起的流体阻力也减小。
这里，已知在流过用于空调器的板状翅片管形热交换器的流体为低雷诺数的范围的空气流的场合，也就是在流通空气的流动在层流边界层范围以内的场合，因流体流动角度发生变化而产生流体剥离的是在约35°以上[参照文献：第十九次传热讨论会演讲论文集（1982-5），B305热交换器翅片的传热分析（第1通报散热翅片的流动形态和传热特性）]。
此外，在使死水区域减小，使传热性能提高，同时使传热管1的通风阻力（形状阻力）减少方面，只要使角度α1变大，以促使空气向传热管1的后方的死水区域B流入即可，然而，如上述文献上所述那样，当α1≥35°时，在切起细片6的立起部分6a上产生流体剥离，而使通风阻力增加。因此，在本实施例中，通过以α1＜35°，α2＞35°， （α2-α1）＜35°，使切起细片6、7的立起部分6a、7a慢慢倾斜，使作为整个流体的流动，在相对流动方向A的切起细片6、7处不发生流动剥离，有可能使流体流动弯曲35°以上。
图6（a），（b），（c），和图7，是表示对图8（a），（b）表示的关于翅片基板2的传热特性和流动损失的研究结果的特性图。
图8中所示的角度θ，是从流体流动方向A看时，使传热管1的中心线（列管中心）后侧的切起细片6的自翅片基板的立起部分6a和流动方向A之间的角度，此外，D是嵌插传热管用孔（翅片套管3）的外径，L上翅片基板2的行间距，在该图为翅片板宽。
图6（a）表示传热性能α的图，其横轴表示上述角度θ，纵轴表示把图8（a）所表示的θ＝0°时的翅片基板2的传热特性作为基准100%时的传热性能比αθ/α0×100%，可以看出，随着角度θ的增加，使传热特性提高。
图6（b）是表示流动损失△P的图，横轴表示上述角度θ，纵轴是表示把图8（a）表示的θ＝0°时的翅片基板2的流动损失作为基准100×%时的流动损失比△Pθ/△P0×100%，可知流动损失也随角度θ增大而上升，且在角度θ为35°附近时，其上升率急激增大。这就是在角度为35°以上时流体会剥离，它和上述文献上的结果相一致。
根据上述结果，可知若根据使一次变更流体流动的角度在35°以下而设定翅片基板的立起部分，则能抑制流动损失上升，和提高传热特性。
此外，图6（c）是表示把图6（a）所示的传热特性αθ和图6（b）所示的流动损失△Pθ的比αθ/△Pθ作为基准100%时的数值比αθ/△Pθ。从这个图6（c）可知随着角度θ增加，使αθ/△Pθ慢慢增加，在25°以上时则急剧上升，而在35°附近时达到最大值，一旦成为35°以上，则急剧下降。就是当角度θ成为35°以上，流动损失则急剧增加，其绝 对值将成为问题，会发生送风机性能界限以及噪音问题。据此最好把图2所示角度α1取在25°≤α1≤35°的范围（斜线表示的范围），这样结果好。但是，根据图6（c），角度即使在25°以上，也有效果，就是在35°以上的场合，通过使送风机性能提高，以及使机组风道改善，也有实现的可能性。
图7的把图8所示嵌插传热管用孔的外径D和管间间距（在一排管场合为翅片板宽）L的比L/D作为其横坐标，其纵轴表示在各数值比L/D下的由图6（c）所示最大值（αθ/△Pθ）max。由图7可知，当L/D为1.5以上的场合（由斜线表示的范围）当使上述实施例那样的翅片基板2的切起细片6、7的端部相对流体流动方向A仅以角度α1，α2倾斜，则有大的效果。这是因为，当L/D在1.5以下，则由于从传热管1的后端部到翅片基板2的后端部2b为止的距离短，原先传热管1的后方的死水区域占据翅片基板全体的比例小，因此使死水区域减少的效果不很大。
图9至图12是表示本发明的第二实施例，图9是翅片基板2的俯视图，图10是沿图9Ⅲ-Ⅲ线的剖面图，图11是沿图9Ⅳ-Ⅳ线剖面图，图12是沿图9Ⅴ-Ⅴ线剖面图。
在此实施例中，从传热管1的流动后侧的切起细片相对流体流动方向A的立起部分的角度和上述第一实施例相同，但是使相对流体流动方向A朝传热管1方向仅以α2＞35°倾斜的切片细片7的自翅片基板2起的高度比另外的切起细片6还高（但是，不与相邻的翅片基板相接触）。
以这样的构造，如图13所示那样，能更促使流体（流经翅片基板间的空气）向传热管1后方的死水区域B流入，因此更使死水区域B减少，从而使翅片基板2的传热特性得到大幅度提高。
接着根据图14至图17对本发明的第三实施例进行说明。图14是翅 片基板2的俯视图，图15是沿图14Ⅵ-Ⅵ线的剖面图，图16是沿图14的Ⅶ-Ⅶ线剖面图。
在此实施例中，如图14所示那样，使沿流体流动方向A的多个切起细片，且每隔一片使相对翅片基板的切起一分为二。并且使分为二的切起细片6、6′的嵌插传热管用孔间的中央部的立起部分6b、6b′相对在传热管1的下流侧的流体流动方向A，朝传热管方向以角度α3倾斜，使此角度α3＜17.5°。此外，使更后侧的上述分二的切起细片7、7′的嵌插传热管用孔间的立起部分7b、7b′相对流体流动方向A以角度α4倾斜，使此角度α4＞17.5°。
此外，多个切起细片沿传热管1的立起部分6a，7a和图2至图4所示的第一实施例的构造相同。
在上述那样组成的热交换中，和上述实施例同样，使流体从翅片基板2的前缘部2a流入，且在传热管1附近沿传热管1流动。并且，使通过传热管1的流体沿相对流体方向A朝传热管1以角度α倾斜的切起细片6的立起部分6a流动，进而沿朝传热管1方向以角度α倾斜的切起细片7的立起部分7a流动，而后向传热管1的后部流入。
另一方面，流入嵌插传热管用孔间的多个切起细片间的流体的流动由于是通过传热管1后，沿相对流体流动方向A，分别以角度α3、α4倾斜的从上述嵌插传热管用孔间的中央部的翅片基板2的立起部分6b、7b流动，因此更促进流入传热管1的后部流体的流动。
此时，由于是α3＜17.5°，α4＞17.5°而慢慢倾斜，因此如图17所示使流动剥离得到抑制，使传热管后方的死水区域B也得到减少，从而使传热性能显著提高。
此外，通过使嵌插此传热管用孔间的中央部翅片基板2的立起部分6a、7a相对上述流体流动方向A，以角度α3，α4倾斜，使整个流体流动得到整理，也使流动损失得到抑制。
以下，图18至图22是表示本发明第四实施例，图18是翅片基板2的俯视图，图19是沿图18的Ⅷ-Ⅷ线的剖面图，图20是沿图18的Ⅸ-Ⅸ线剖面图，图21是沿Ⅹ-Ⅹ线剖面图，图22为表示包含多根传热管1的翅片基板2的俯视图。
此实施例是使如在第二实施例中的从流体流动方向A看的传热管1的中心线（列管中心）的上流侧的切起细片5的阶梯方向的长度成为和在列管方向的中央部分的切起细片4为相同长度。
即使在这样构成场合，由于从流体流动方向A看时的传热管1的中心线（列管中心）下流侧的切起细片的形状和第二实施例完全相同，因此具有和第二实施例同样的效果。
此外，很自然的是（图中省略），即使在第一实施例、第三实施例中，如第四实施例那样，使从流动方向A看时的传热管1的中心线（列管中心）的上流侧的切起细片的阶梯方向长度和列管方向的中央部的切起部为相同长度的场合，也可以说情况完全一样。
如上所述，若根据本发明，为了使流动流体平滑地引入传热管的后方，而使在翅片基板上形成的切起细片的自翅片基板立起部分相对流体流动方向以不会使流体流动剥离的角度倾斜，因此具有使传热管下流部分发生的死水区域变小，还使流体损失变小，使传热性能提高的效果。

Claims (1)

1、一种翅片管形热交换器，在翅片基板上设置多个为嵌插传热管用的，且使与该传热管形成热接合的翅片套管，并在相邻翅片套管部间，在与流体流动方向成交叉方向，从该翅片基板上切起形成多个切起细片，这些切起的细片与翅片套管的外围隔开，象包围住传热管那样，且使这些细片相互平行，在翅片基板两侧交替形成，其特征在于，使传热管下流一侧的切起的第一细片沿翅片套管那样沿纵方向放长，并使其自翅片基板立起部分的端部相对流体流动方向朝向热传管一侧以35°以下的角度倾斜，使位于更下流侧的切起的第二细片沿翅片套管部那样沿纵方向进一步放长，使其自翅片基板立起部分的端部相对流体流动方向朝向传热管一侧进一步倾斜，且使其与上述以35°以下倾斜的切起的第一细片的立起部分间所形成的角度在35°以下。
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