CN101498561A - 换热器用传热管以及使用了它的换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供可提高水－制冷剂换热器的传热性能的换热器用传热管以及使用了它的换热器。本发明的换热器用传热管是作为构成换热器的水管来使用的波纹形状的传热管，在上述波纹管(10)的内表面上形成有螺旋状的内表面槽(2)，在设上述波纹形状的波纹槽(1)的深度为Hc、设波纹管外径为OD时，则满足0.04≤Hc/OD的关系，在设上述内表面槽(2)的翅片高度为Hf、设管的最大内径为ID时，则满足0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(－0.5)≤Hf/ID≤0.037的关系。

Description

换热器用传热管以及使用了它的换热器

技术领域

本发明涉及换热器用传热管以及使用了它的换热器，尤其涉及自然制冷剂热泵式供热水机的水-制冷剂换热器用传热管以及使用了它的换热器。

背景技术

一直以来作为已知的自然制冷剂热泵式供热水机(以下有时简称为“热泵式供热水机”)的换热器有由水流通的外管和制冷剂流通的内管这双层管构成的双层管式换热器。

这种双层管式换热器的场合，当制冷剂流通的内管上出现因腐蚀形成的孔时，则由于水和制冷剂混合，因而在往往设置用于检测水或制冷剂的泄漏并使装置停止的泄漏检测部(具有泄漏检测槽的泄漏检测管)(通过设置泄漏检测管，实际上成为三层管构造)。

另一方面，自然制冷剂热泵式供热水机是在夜间花费时间煮沸热水的机器，由于水的流速小且为层流，所以为了提高作为换热器的性能，提高成为瓶颈的水管的传热性能是必不可少的。

作为以提高传热性能为目的的换热器，有由波纹管和配置在其外侧的外管构成的换热器，该波纹管在设波纹槽深度为Hc、波纹外径设为OD时，则有0.04≤Hc/OD的关系，在设波纹槽与管轴线Ta所成的角为螺旋角βc时，则为βc≥40°(参照专利文献1：日本特开2007-218486号公报)。

根据专利文献1记载的换热器，记载即使在如自然制冷剂热泵式供热水机那样的水的流速小的使用形态下，也能够得到可提高换热器的传热性能的换热器用传热管以及使用了它的换热器。

另外，还有在管内表面形成有管轴方向或螺旋状的连续槽，而且以含有管轴线的平面剖切的截面形状是波形的传热管(参照专利文献2：日本特开昭61-125592号公报)。

根据专利文献2记载的传热管，记载的主要内容是：能够稳定而且低成本地连续制造弯曲加工性能优良的内表面带槽的管。

专利文献1记载的传热管在与平滑管的重量相同的情况下与平滑管比较能够将性能提高到2倍以上。另外，虽然能够得到考虑了压力损失的波纹形状，作为波纹管的外表面形状可实现最优化，但是要想尽可能不增加重量而实现性能进一步的提高，必须改良波纹管的管内表面形状。

专利文献2记载的传热管是在管内表面设有螺旋状的连续槽的波纹管，若按照专利文献1记载的波纹形状进行制作的话，则有可能实现超过专利文献1的波纹管的性能。

但是，本发明的发明人等研究的结果得知，即使在波纹管上仅形成内表面槽，也存在因内表面槽的形状反而会比波纹管的性能更降低的情况。而且得知还存在性能提高时重量上升的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高水—制冷剂换热器的传热性能换热器用传热管以及使用了它的换热器。

本发明为了实现上述目的，提供一种换热器用传热管，是作为构成换热器的水管来使用的波纹形状的传热管，其特征是，在上述波纹管内表面上形成有螺旋状的内表面槽，当设上述波纹形状的波纹槽深度为Hc、设波纹外径为OD时，则满足0.04≤Hc/OD的关系，当设上述内表面槽的翅片高度为Hf、设管的最大内径为ID时，则满足下述关系：

0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037。

而且本发明提供具备上述的换热器用传热管的换热器。

本发明的效果如下。

根据本发明，能够得到可提高水-制冷剂换热器的传热性能的换热器用传热管以及使用了它的换热器。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的传热管的构造的说明图，图1(a)表示总体图，图1(b)表示图1(a)的局部放大剖视图，图1(c)表示图1(a)的椭圆A的放大剖视图。

图2是表示本发明的第二实施方式的传热管的构造的说明图。

图3是表示本发明的第三实施方式的换热器的构造的说明图。

图4是表示本发明的第四实施方式的换热器的构造的说明图。

图5是表示本发明的第五实施方式的换热器的构造的说明图。

图6是表示本发明的第六实施方式的换热器的构造的说明图。

图7是表示本发明的第七实施方式的换热器的构造的说明图。

图8表示的是雷诺数Re为1000时的波纹管的Hc/OD与传热性能的关系(对平滑管的传热性能比)。

图9表示的是雷诺数Re为1000时的波纹管的螺旋角与传热性能的关系(对平滑管的传热性能比)。

图10表示的是雷诺数Re为1000时的波纹管的Hc/OD与管摩擦系数的关系(对平滑管的管摩擦系数比)。

图11是参考例1～3的带螺旋状内表面槽的管与比较例1的平滑管的传热性能测定结果。

图12是参考例1～3、比较例3的压力损失测定结果。

图13是平滑管(比较例1)、内表面平滑波纹管(比较例2)、内表面带槽波纹管(比较例3、实施例1)的传热性能测定结果。

图14是平滑管(比较例1)、内表面平滑波纹管(比较例2)、内表面带槽波纹管(比较例3、实施例1)的压力损失测定结果。

图15表示的是在紊流区域的雷诺数与平滑管的粘性底层的厚度(y⁺＝5时的y)除以最大内径ID的值δ^*的关系。

图16表示的是平滑管的管摩擦系数的倍数与粘性底层的厚度(y⁺＝5时的y)除以最大内径ID的值δ^*的关系。

图中：

1—波纹槽，2—内表面槽，10—内表面带槽波纹管。

具体实施方式

以下基于附图对本发明的优选的一个实施方式进行详细说明。

本发明的第一实施方式

说明传热管的构成。

图1是表示本发明的第一实施方式的传热管的构造的说明图，图1(a)表示总体图，图1(b)表示图1(a)的局部放大剖视图，图1(c)表示图1(a)的椭圆A区域的放大剖视图。

本实施方式的传热管是在平滑管内表面加工螺旋状的连续槽而形成内表面槽2后加工了一条波纹的内表面带槽的波纹管10，作为构成换热器(例如热泵式供热水机用的水-制冷剂换热器)的水管来使用。

即、在内表面带槽波纹管10内流动的水和在内表面带槽波纹管10外流动的制冷剂之间进行热交换。所谓波纹管一般是指在其内外表面具有波形的螺旋构造的管。

本实施方式的内表面带槽波纹管10的特征是，若设波纹形状的波纹槽1的深度为Hc、设波纹外径为OD，则表示对外径的凹凸之比的Hc/OD满足0.04≤Hc/OD的关系；若设上述内表面槽2的翅片高度为Hf、设末端平滑部壁厚为Tw、设管的最大内径为ID(＝OD-2Tw)，则满足

0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}c≤Hf/ID≤0.037的关系。

通过使Hc/OD、Hf/ID在上述范围内，可得到良好的传热性能。优选满足0.04≤Hc/OD≤0.1，更优选满足0.04≤Hc/OD≤0.07。而且，通过使Hc/OD在上述范围内，能够降低压力损失。

另外，在设内表面带槽波纹管10的波纹槽1和管轴线Ta所成的角度为螺旋角βc时，螺旋角βc取得的值的范围虽为0°<βc<90°，但优选螺旋角βc为40°以上的大螺旋角形状。更优选为40°≤βc≤82°。

这样，能够促进越过凹凸的流体的紊流化。

内表面带槽波纹管10的末端平滑部壁厚Tw和波纹节距Pc虽然没有特别限定，但可使用例如0.4mm≤Tw≤1.7mm、3mm≤Pc≤15mm的尺寸。

另外，作为材质，虽然没有特别限定，但考虑热传导系数和机械强度优选使用铜或铜合金、或者铝或铝合金等。

本发明的第二实施方式

下面，说明传热管的构成。

图2是表示本发明的第二实施方式的换热器用传热管的构造的说明图。

相对于第一实施方式的内表面带槽波纹管10是加工了一条波纹的波纹管，本实施方式的内表面带槽波纹管20是加工了三条波纹的波纹管，并作为构成换热器的水管来使用。若条数增多，则加工速度提高，因而成本方面的优点较大。

即使在该图2的传热管中，也与图1同样，若设波纹形状的波纹槽深度为Hc的关系，设波纹外径为OD，则表示对外径的凹凸之比的Hc/OD满足0.04≤Hc/OD；若设上述内表面槽的翅片高度为Hf、设末端平滑部壁厚为Tw、设管的最大内经为ID(＝OD-2Tw)，则满足

0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037的关系。

螺旋角βc在加工三条的场合虽具有其螺旋角βc比加工一条变小的倾向，但通过减小相邻的波纹槽1的间隔即波纹节距Pc，可以实现在内表面带槽的管中制造困难的40°以上的大螺旋角。内表面带槽管的内表面槽的螺旋角增大非常困难。

其次，对具备上述波纹管的换热器进行说明。

本发明的第三实施方式

下面，对换热器的构成进行说明。

图3是表示本发明的第三实施方式的换热器的构造的说明图。

本实施方式的换热器(双层管式换热器)100形成为，将上述本发明的实施方式的传热管(例如内表面带槽波纹管10)作为内管，并在其外侧具备外管11，从而使制冷剂在内表面带槽波纹管10和外管11之间的环状路径中流动。

本发明的第四实施方式

下面，对换热器的构成进行说明。

图4是表示本发明的第四实施方式的换热器的构造的说明图。

本实施方式的换热器(三层管式换热器)200形成为，将上述本发明的实施方式的传热管(例如内表面带槽波纹管10)作为内管，并在其外周以形成有泄漏检测部(泄漏检测槽13)的方式连接配置由平滑管构成的泄漏检测管12，并且在泄漏检测管12的外侧配置有外管11，从而使制冷剂在泄漏检测管12和外管11之间的环状路径中流动。

本发明的第五、六实施方式

下面，对换热器的构成进行说明。

图5是表示本发明的第五实施方式的换热器的构造的说明图。而图6是表示本发明的第六实施方式的换热器的构造的说明图。

图5、图6所示的换热器300、400是将图3、图4的换热器的外管形成为波纹形状而作为波纹外管21的换热器，由此可提高柔性。

本发明的第七实施方式

下面，对换热器的构成进行说明。

图7是表示本发明的第七实施方式的换热器的构造的说明图。

本实施方式的换热器500沿着上述本发明的实施方式的传热管(例如内表面带槽波纹管10)的波纹槽卷绕了制冷剂流通用的螺旋状传热管31而构成。并且，根据需要有时还用钎焊等固定波纹槽和螺旋状传热管31。

换热器500在内表面带槽波纹管10内流动的水和在内表面带槽波纹管10的外周接触的螺旋状传热管31内流动的制冷剂之间进行热交换。而且，通过沿着波纹槽1卷绕螺旋状传热管31，从而能够增大内表面带槽波纹管10和螺旋状传热管31的有效接触面积(有效传热面积)。

本发明的其它实施方式

作为本发明的实施方式除了上述的第一～第七实施方式之外，还有各种方式，例如可举出以下方式。

(1)虽然对一条和三条波纹的波纹管进行了说明，但也可以有两条或四条以上波纹。但就内表面带槽管而言，由于容易实现困难大的螺旋角而优选一条至三条波纹的波纹管。

下面，说明数值限定的意义。

图8表示的是雷诺数Re为1000时的未加工内表面槽的波纹管的Hc/OD和传热性能的关系(相对于平滑管的传热性能比)。

该图8的波纹管的外径为9.52mm、节距为8mm、条数为一条。

从图8可知，若Hc/OD不足0.04，则传热性能急剧下降。因而希望满足0.04≤Hc/OD。

图9表示的是雷诺数Re为1000时的未加工内表面槽的波纹管的螺旋角βc和传热性能的关系(相对于平滑管的传热性能比)。在该图9中，波纹管的Hc/OD为0.1(＝Hc/OD)、条数为一条。

从图9可知，如果Hc/OD＝0.1，则即使螺旋角βc较小(例如βc＝35°)，虽然传热性能对平滑管之比高达1.5倍左右，但是通过做成βc≥40°的大螺旋角，则能够使传热性能对平滑管之比提高到2倍以上。

图10表示的是雷诺数Re为1000时的波纹管的Hc/OD与管摩擦系数的关系(相对于平滑管的管摩擦系数比)。

这里，管摩擦系数是用ΔP＝f×L/de×(ρv²)/2的关系式规定的无因次数f，可以看作是抵消了流道面积及流体的流速等的影响后压力损失的指标。

还有，ΔP表示传热管的压力损失、L表示传热管长度、de表示传热管的等效直径(4×流道面积/润湿部分长度)、ρ表示流体的密度、v表示流体的流速。

从图10可知，若Hc/OD不足0.04，则管摩擦系数比也与传热性能比同样地急剧下降，判断为不能促进紊流。

另一方面，若Hc/OD达到0.04以上，则管摩擦系数比(即、压力损失)持续增加。进而若Hc/OD超过0.1(0.1<(Hc/OD))，则判断为管摩擦系数比超过了传热性能比(参照图8)(例如，在Hc/OD＝0.11时，相对于图8中传热性能比为4.3，图10中的管摩擦系数比为4.5)。

因此，能够提供希望满足0.04≤Hc≤0.1，压力损失低且性能高的波纹管。

图11～图14是螺旋状的内表面带槽管(参考例1～3)、平滑管(比较例1)、内表面平滑波纹管(比较例2)、内表面带槽波纹管(比较例3、实施例1)的传热性能测定结果。

表1中表示了规格。

还有，比较例3是对参考例3实施了波纹加工的例子，实施例1是对参考例1实施了波纹加工的例子。

无论哪个传热管的材质都采用磷脱氧铜，并将外径(OD)做成9.52mm。

这里，所谓传热性能，为了抵消流体的物性影响，定义为努塞尔数Nu除以普朗特数Pr的0.4次方(Nu/Pr^0.4，在以下的实施例中同样)。同样地，压力损失也用作为无因次数的达西(Darcy)的管摩擦系数f表示。

表1

图11是参考例1～3的螺旋状内表面带槽管与比较例1的平滑管的传热性能测定结果。图11(b)是图11(a)的雷诺数Re5000以下的区域放大图。

在图11中，参考例3与参考例1、2不同，其性能在过渡区域(雷诺数Re：2300～4000)虽上升，但在层流区域(雷诺数Re：2300以下)与平滑管(比较例1)相同。

图12是参考例1～3、比较例1的压力损失测定结果。

参考例3在层流区域急剧下降，与参考例1相反。

从图11、图12可以认为在过渡区域性能提高的翅片高的内表面带槽管在层流区域具有整流化作用。另一方面，可以认为如参考例1及参考例2那样的翅片低的内表面带槽管与平滑管同样地在层流区域不起整流作用

图13是平滑管(比较例1)、内表面平滑波纹管(比较例2)、内表面带槽波纹管(比较例3、实施例1)的传热性能测定结果。

图13(b)是图13(a)的雷诺数Re4000以下(过渡区域～层流区域)的放大图。

图14表示了压力损失测定结果。

如图13(b)所示，比较例3的内表面带槽波纹管(对图11的参考例3加工了波纹)，其性能在层流区域反而比比较例2的内表面平滑波纹管降低。同样地，如图14所示，就压力损失而言，在层流区域，比较例3的内表面带槽波纹管也比比较例2的内表面平滑波纹管降低。

这可以认为按照波纹形状所产生的紊流效果理应提高的传热性能通过比较例3的翅片高的内表面槽所产生的整流作用被抵消，从而使波纹管的性能降低。

另一方面，实施例1的内表面带槽波纹管在层流区域不降低波纹管的性能，具有与比较例2的内表面平滑波纹管同等性能，在过渡区域～紊流区域为比较例2的内表面平滑波纹管以上的性能。在该区域，即使与比较例3相比较，实施例1也显示了性能优越性。

另外，实施例1与比较例2的内表面平滑波纹管相比较，重量上升最小为13％(表1)，就雷诺数7000而言，性能上升30％以上。

表2表示翅片高度Hf除以管的最大内径ID的值(Hf/ID)。

表2

 

	Hf/ID
		参考例1	0.027
参考例2	0.037
		参考例3	0.081

根据上述的说明以及表2，为了抑制内表面带槽波纹管在层流区域进行整流，且不降低因波纹形状引起的性能提高，需要使参考例2的Hf/ID在0.037以下。

然而，作为实施例1的波纹加工前的参考例1，由于在过渡区域其性能比平滑管没有提高，所以在层流区域对气流进行整流翅片最高。但是，在紊流区域(雷诺数Re：4000以上)，若不是较高的雷诺数则性能也不上升。这是因为翅片低而被隐藏在紊流边界层。

紊流边界层由以层流流动于极靠近管壁附近的粘性底层(或层流底层)，以及层流和紊流的中间的层构成。为了比较翅片高度和粘性底层等的厚度，将从管壁向管中心方向的距离y的无因次数y⁺定义为以下的数学学式(1)。

数学式(1)

这里，ρ表示在管内流动的流体的密度(kg/m³)、μ表示粘度(Pas)、u^*表示摩擦速度，由以下数学式(2)决定。

数学式(2)

这里τ_w：管壁的摩擦应力(Pa)。

粘性底层一般在0≤y⁺≤5的范围。

对于紊流区域和过渡区域的边界的雷诺数4000，将计算出相当于参考例1～3的翅片高度的y⁺的结果表示在表3中。还有，在表3中还一并记载了表2所示的Hf/ID。

表3

 

	Y+	Hf/ID
			参考例1	7.8	0.027
参考例2	10.6	0.037
			参考例3	22.9	0.081

从表3可知，根据图11，参考例2在雷诺数4000以上性能提高，此时y⁺为粘性底层的2倍以上。

图15表示在紊流区域的雷诺数与平滑管的粘性底层的厚度(y⁺＝5时的y)除以最大内径ID的值δ^*的关系。

根据图11，参考例1在雷诺数6000～7000性能开始提高，根据图15，雷诺数6000～7000的粘性底层的厚度达到0.012。

根据表2，参考例1的Hf/ID为0.027，与参考例2相同，在粘性底层的厚度为0.011的2倍以上时性能提高。

根据数学式(1)可知，粘性底层的厚度(y⁺＝5时的y)与摩擦速度u^*成反比。摩擦速度u^*与管壁的摩擦应力τw成比例。另外，摩擦应力τw与区间L的压力损失ΔP＝(P1-P2)的关系如以下的数学式(3)。

数学式(3)

Darcy-Weisbach的公式(数学式(4))

数学式(4)

$\mathrm{\&Delta;p}=f\frac{L}{\mathrm{ID}}\frac{{\mathrm{\&rho;v}}^2}{2}$

这里，v为流体的平均流速(m/s)，

把数学式(4)代入数学式(3)则成为数学式(5)：

数学式(5)

${\mathrm{\&tau;}}_w=\frac{f}{4}\frac{{\mathrm{\&rho;v}}^2}{2}$

如果流体温度、速度相同，则摩擦应力τw与管摩擦系数f成比例。

图16表示将平滑管的管摩擦系数f的值设为1，并且它的倍数k与粘性底层的厚度(y⁺＝5时的y)除以最大内径ID的值δ^*的关系。

热泵供热水机的雷诺数范围为1000～7000左右，由于在紊流区域达到4000～7000，所以表示雷诺数4000和7000的情况。

对于雷诺数4000及7000的情况若惯例化，则

(雷诺数Re＝4000的情况)

δ^*＝0.018k^-0.5

∴2δ^*＝0.036k^-0.5

(雷诺数Re＝7000的情况)

δ^*＝0.011k^-0.5

∴2δ^*＝0.022k^-0.5

这里，由于波纹管的压力损失与平滑管比(图10)以0.04<Hc/OD呈直线地增加，所以压力损失比k与Hc/OD的关系式成为以下的数学式(6)。

数学式(6)

$k=30.7\frac{\mathrm{Hc}}{\mathrm{OD}}+1.13$

由于Hf/ID为粘性底层δ^*的2倍以上时性能提高，所以在内表面带槽波纹管中，可提高性能的Hf/ID的下限值为数学式(7)。

数学式(7)

$0.022{\left(30.7(\frac{\mathrm{Hc}}{\mathrm{OD}}+1.13)\right)}^{-0.5}$

优选为数学式(8)。

数学式(8)

$0.036{\left(30.7(\frac{\mathrm{Hc}}{\mathrm{OD}}+1.13)\right)}^{-0.5}$

综上所述，数学式(9)的场合，

数学式(9)

$0.022{\left(30.7(\frac{\mathrm{Hc}}{\mathrm{OD}}+1.13)\right)}^{-0.5}\&le;\mathrm{Hf}/\mathrm{ID}\&le;0.037$

如参考例1的内表面带槽管那样，即使在热泵式供热水机的雷诺数范围性能不能提高，也能够通过将其做成内表面带槽波纹管，利用波纹的搅拌效应使粘性底层变薄，从而可在热泵式供热水机的雷诺数范围内提高性能。

表4表示实施例2～5的规格以及将内表面平滑波纹管(比较例2)的传热性能设为1时的比。

表4

制作了实施例2—5的内表面带槽波纹管，使得实施例2、3的Hc/OD的下限值为(Hc/OD＝0.04)，实施例4、5的Hc/OD的上限值为(Hc/OD＝0.1)，并且实施例2、3的数学式(9)的Hf/ID的下限值为(0.014、0.011)，实施例3、5的Hf/ID的上限值为(0.37)。

在该实施例2～5中的传热性能的评价以将比较例2的传热性能设为1时的比来表示，就雷诺数1000而言，可知得到与比较例2同等的传热性能，若雷诺数增大则传热性能比比较例2提高百分之几十。

Claims (3)

1.一种换热器用传热管，是作为构成换热器的水管来使用的波纹形状的传热管，其特征在于，

在上述波纹管内表面上形成有螺旋状的内表面槽，在设上述波纹形状的波纹槽深度为Hc、设波纹外径为OD时，则满足0.04≤Hc/OD的关系，在设上述内表面槽的翅片高度为Hf、设管的最大内径为ID时，则满足

0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037的关系。

2.根据权利要求1所述的换热器用传热管，其特征在于，

满足0.04≤Hc/OD≤0.1的关系。

3.一种换热器，其特征在于，

具备权利要求1或2任一项所述的换热器用传热管。

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