CN101861506A - 包括有沟槽的翅片的管的热交换器 - Google Patents

Abstract

管式热交换器，其包括具有翅片的管(2)。所述管以一特定轴向方向延伸并且配设有热交换翅片(4)。每个翅片具有包围管的热交换表面，所述翅片相对于所述管以一特定的径向方向延伸，并且，所述翅片按凸纹方式构造，以形成在所述径向方向上相互间隔的沟槽。翅片的沟槽有不同的尺寸，比如宽度和深度，所述尺寸随着在所述径向上远离该管而减小，以此来形成对围绕管的流体的引导。

Description

包括有沟槽的翅片的管的热交换器

技术领域

本发明涉及管式热交换器，该管式热交换器包括具有翅片的管，其中，该管以一特定轴向方向延伸并且配设有热交换的翅片，每个翅片具有包围管的热交换面，并且所述热交换面相对于所述管以一特定径向方向延伸，并且，所述翅片按凸纹(relief)方式构造，以在所述径向方向上形成相互间隔的沟槽。

更详细地，本发明运用于管式热交换器，该管式热交换器使用空气来作次级交换流体，比如，分别用于冷却、冷凝、加热和蒸发流体的空气冷却、空气冷凝、空气加热或空气蒸发类的装备，尤其是在提炼过程中的气体处理和压缩设备、气体液化单元、煤和气合成单元、发电装置、再汽化单元或任何其它流体处理装置。

背景技术

总的来说，这种设备包括主热交换器以及汇流管(collecteurs)，该主热交换器装配有具有外部翅片的管束，将被冷却，冷凝，加热或蒸发的流体在管束中循环，该汇流管用于分配和分流管之间的流体。尤其，流体的冷却在有外部翅片的管中通过与在管和外部翅片周围循环的次级流体，特别是环境空气，进行热交换而进行。为了做到这点，装在交换器的管下方(称为强迫通风)或上方(成为诱导通风)的通风机保证了强制性的环境空气循环或通风。

总的来说，环境空气在1.5m/s和4m/s之间的相对较低的正面速度流过该带有翅片的管束。在这样的速度下并且对于所考虑的几何结构(尤其是空气通道部分，两翅片或两个相继管之间的空间)，环境空气的流动方式总的来说是层流形的，并有一些局部的紊流，它的特征是与外部翅片有较低的热交换。交换器中热交换最高的区域是在气流方向上的翅片和管的前缘。这样，由于交换器与气流的结构，位于气流方向上的管的后部的管的区域实际上并没有被利用于热交换。所述交换器的区域，被称为再循环区域，它们的特征在于空气的再循环，这导致载荷损失并且使翅片不能很好的冷却。

专利文件US-2008023180公开了一种用于空气冷却管的翅片，该翅片在其表面上具有一个由翅片的机械变形形成的具有凹陷或沟槽的凸纹。这样的凹陷或沟槽使增加空气和翅片之间的热交换成为可能，这归功于在增进压力损失的同时紊流的形成。尤其，半圆柱部分的同心沟槽42在每个翅片上形成。

专利文件WO 2007/147754也公开了一种用于热交换器管的翅片，该热交换器装配有突起表面形状的气流反射器，能够修正气流的结构来改善空气与翅片之间的热交换。所述表面是呈翅片中方形或三角形的切口的形态。但是，由于热交换器通常置于外面而且由于环境空气没有被过滤，这些形成于翅片内的切口可成为由于灰尘，昆虫等原因造成的污垢的来源，它们会堵塞这些切口。

发明内容

本发明旨在推荐一种用于热交换器管的具有沟槽的翅片结构，它可以在不使载荷损失降低的前提下，使增进空气与管中循环的流体之间的热交换成为可能。

为此，本发明提供了包括具有翅片的管子的热交换器管，其中，管以一特定轴向延伸并且具有热交换翅片，每个翅片具有热交换面包围管并相对于管以一特定径向延伸，该翅片具有凸纹结构，以在所述径向上形成相互间隔的沟槽，翅片的沟槽有不同的尺寸，所述尺寸随着在所述径向上远离该管而减小，以此形成对围绕管的流体的引导。

翅片的凸纹的这样的阶层构造的主要优势是，能够更好地引导气流到管的径向上的管的后部(朝着气流到达管的方向)。通过使用根据本发明的具有外部翅片的管，因此可以显著地减小气流的方向上空气去往管的后部的再循环区域，当使用不具有凸纹(平坦外形)的带有翅片的管时，这一区域通常是相当可观的。这样，该有阶层的凸纹表面引导空气到管的后部，就能够减少热交换差的热循环区域并因此更好地利用翅片的表面。这样，使用根据本发明的翅片，可以显著增加热功效。

根据本发明的热交换器的某些特征，翅片的沟槽可具有不同的深度和宽度，该深度和宽度随着在所述径向上远离该管而减小。每个翅片可具有随着在所述径向上远离该管而减小的厚度。翅片的沟槽可依据同心形状的图案或者根据椭圆形状的图案互相间隔。翅片的沟槽可以互相离得很近，以基部连接的方式隔开。沟槽可被安置在翅片的两面上。每个翅片可以螺旋形缠绕在管上或者该翅片可是盘形的。

附图说明

在阅读以下对几个实施例的详细描述后，本发明会被更好地理解，并且其它优势也会显现出来，该几个实施例是以非限定性示例的方式给出的，并且由附图示意，其中：

图1示意性地显示了热交换器的截面图；

图2为根据本发明的翅片的平面图；

图3是具有根据本发明的两个翅片的管沿着图2的轴线III-III的局部径向截面图；

图4是具有根据本发明在另一个实施例中的两个翅片的管沿着图2的轴线III-III的局部径向截面图；

图5是根据本发明在又一个实施例中的一个翅片的平面图；

图6是配备有根据本发明的多个翅片的管沿着图2的轴线III-III的局部径向截面图；

图7是具有平坦外形的翅片的一组管的径向截面图，其示出由数字模拟得到的、在两翅片之间的平面中的流线；

图8是具有根据本发明的翅片的一组管的径向截面图，其示出由数字模拟得到的流线；

图9示意性地示出一图表，其表示作为到达根据本发明的翅片和到达平坦外形的翅片的空气的正面速度(vitesse frontale)的函数的载荷损失；

图10示意性地示出一图表，其表示作为到达根据本发明的翅片和到达平坦外形的翅片的空气的正面速度的函数的交换功率。

具体实施方式

图1中示出热交换器1，该热交换器1包括具有圆形截面的管束2，这些管具有翅片，这些翅片布置在数个基本平行叠置的排列中，这些排列在轴向方向A上延伸，在这些管中，将要冷却的流体在流体的入口B和出口C之间循环，并且在箭头D所示方向上以横向于管2的方式被通风机3从低位向高位抽取的环境空气流围绕这些管循环，通风机设置在热交换器1的上方。流体的循环在此被分成在图1上示意性地示出的相继的三个通道(passage)或通行(passes)部分2a，2b，2c，这允许改善流体的冷却。因此，热交换器1一般来说包括三到八排的叠置的管2，这些管以交错(en quinconce)的方式布置或者相对于箭头F所示的管2中流体的循环方向排成行。

这些管2配置有外部径向环形翅片4，这些翅片基本垂直于管2，并且基本相互平行，以有利于环境空气和流体之间的热交换，以及引导空气在轴向上流向管2的后部，如下文当中将要描述的。总的来说，与不带翅片的相似的管2的表面相比，外部翅片4能够增大外部热交换表面的比率在15％-25％之间。这种表面的增大可增进热交换，但是也会产生载荷损失，这将特别地通过使用高效的通风机3来补偿。

为了更加清楚，图1中示出在管2上的多个相互隔开的翅片4，显然，翅片4优选地设置在交换器1的所有管2的整个长度上。而且，外部翅片4的形状和尺寸可以从管束2的一个管到下一个管是变化的。管2束中带有外部翅片4的管2的构造并不是必须一致，尤其是，管2的半径可以变化。

图2示出围绕管2的根据本发明的翅片4，该翅片具有径向表面，该径向表面构造有凸纹5，所述凸纹用于形成沟槽5a，5b，5c，所述沟槽5a，5b，5c被基本平坦的环形翅片部分8在一特定径向E上相互隔开。翅片4的沟槽5a，5b，5c具有不同的尺寸，这些尺寸随着远离管2而减小，从而形成对围绕管2的环境空气流在轴向A上的引导。更加具体地，翅片4的沟槽5a，5b，5c分别具有在轴向A上的不同的各自的深度p1，p2，p3和在径向E上的不同的各自的宽度l1，l2，l3，沟槽的宽度和深度随着远离管2而从固定到管2上的翅片4的内缘4b朝向翅片4的自由外周缘4a而减小。如从图3中可更加清楚地看到的，最内的沟槽5a是沟槽中最高和最宽的，而最外的沟槽5c是最低和最窄的，而中间的沟槽5b是具有中间的高度和宽度。

优选地，翅片4上的沟槽5a，5b，5c的数量在2个到4个之间，但是，根据应用可增加其它沟槽。在图3中，凸纹5中的表面由根据同心形状的图案布置的围绕管2的三个圆形沟槽5a，5b，5c构成。邻近的翅片4可具有同心的沟槽5a，5b，5c，这些沟槽在轴向上分别对齐(翅片4具有同样的凸纹的表面5，因此，一个翅片4的沟槽5a，5b，5c在轴向上与在管2上的其它翅片4的相应沟槽对齐)。在图3中，翅片4的同心相邻沟槽5a，5b，5c在径向上被翅片的平坦环形部分8相互分开(不相连)。所述环形部分8在径向E上可具有相同的宽度d1，d2或者按照可变化的图式具有不同的宽度d1，d2，该宽度d1，d2例如在1mm-5mm之间。例如，所述部分宽度从管2朝向外周缘4A减小或者相反。也可以设置相邻的沟槽，它们是相连的，而在这种情况下，分隔部分8的宽度非常小(小于1mm)。

为了制造的简便，管2在其整个长度上具有相同构造的翅片4。但是在热交换器1中，管2可以设置不同构造的翅片4。例如，可以提供一管2，其中的翅片4具有相邻沟槽5a，5b，5c，其中，分隔部分8的宽度d1，d2朝向外周缘4A增大；和一相邻的管2，其中的翅片4具有相邻沟槽5a，5b，5c，相反地，分隔部分8的宽度d1，d2朝向外周缘4A减小。

在图3的翅片4上，沟槽5a，5b，5c形成在翅片4的相同面4c上，也就是说，相对于翅片4定位在同一方向上。图4显示了根据本发明的翅片4的另一个实施例，其中，沟槽5d，5e，5f定位在翅片4的两侧上，也就是说，它们交替地布置在翅片4的两个相对面4c，4d上，这就可以带来比沟槽5a，5b，5c更好的机械强度。

图5示出根据本发明的翅片4的另一个实施例，其中，同心沟槽5a，5b，5c被按照椭圆形图式4布置的沟槽6a，6b，6c所取代。这些椭圆形沟槽6a，6b，6c使得可以能够更好地利用由沟槽来引导空气的现象，同时限制相关的载荷损失的增加。这个方案的优点是，对于同样的使用条件，可获得改善的性能，也就是说，同样的使用条件是指等速线(iso vitesse)和相同的载荷损失。

外部翅片4可由铝制的带条7或另一种热导材料制成，以螺旋的方式在轴向A上围绕管2缠绕，如图6中示意性地显示的。应该注意到，此处，翅片4相对与管2和方向A很轻微地倾斜，如箭头4e所表示的，这种倾斜是轻微的，因为翅片4相互很靠近，因此，可以考虑翅片4大致垂直于管2。也可以实现这样的管2，其翅片4相对于管2的轴向A更加倾斜。另一种形成外部翅片4的方式是通过一系列旋转的盘形成。翅片4和管2之间的连接可以通过把翅片4例如嵌入在预先形成在管2的周边上的沟槽中(未示出)来实现，或者通过卷绕翅片4--在所述翅片4的基部进行折叠然后卡合在管2上例如滚压卡合在管2上--来实现。翅片4也可以通过成形或变形一覆盖在管2上的附加的铝管来获得。翅片4也可以通过堆叠的盘来形成。

如图3中所能看到的，翅片4具有厚度，该厚度随着远离管而从翅片4的内缘4b朝向其外缘4a减小。有利地，翅片4的厚度e1在其外缘4a处可以是大约在0.15mm和0.4mm之间，而翅片4的厚度e2在其内缘4b处可以在大约0.4mm和1mm之间。

沟槽5a，5b，5c具有各自的在大约0.4mm和1.5mm之间的厚度p1，p2，p3，且具有在沟槽基部处的各自的宽度l1，l2，l3，所述宽度l1，l2，l3在1mm和4mm之间，沟槽5a，5b，5c具有不同的高度和宽度以形成有层次的凸纹，该高度和宽度随着远离管2而减小，诸如p1＞p2＞p3且l1＞l2＞l3。

根据本发明的翅片4具有在大约10mm和20mm之间的长度H且优选为大约在12mm和18mm之间。两个沿管2的相继翅片之间的步长P大约在2.2mm和3.5mm之间，且优选为在大约2.5mm和3.2mm之间，或者总地来说，小于两个相继的平坦外形的翅片之间的常规间距。

总的来说，热交换器1包括管束2，该管束由钢帛结构支撑(未示)且由半径在大约15mm和55mm之间的50至300个管2形成，热交换器1的宽度在0.3m和5m之间，而其长度在8m和18m之间。

管2可由钢制成，例如不锈钢或碳钢或高合金钢，如incoloy，管2的材料的选择取决于所输送的流体和工作条件，所输送的流体可以是侵蚀性的。外部翅片4一般来说由铝制成，但是也可由不锈钢或其它热导材料制成。

图7和图8示出环境空气的流线(由数字模拟获得)，该环境空气在方向D上围绕热交换器1的数个管2在大致垂直于管2的平面M中循环，并位于图1和图3中所示的两个相继翅片4之间的中心处。更具体地，图7示出平坦外形的翅片的情形，而图8示出根据本发明的包括同心沟槽5a，5b，5c的翅片4的情形。如图7中可看到的，流体再循环区域Z1位于空气流D的方向上管2的后部，在该区域热交换差。另一方面，如图8中可看到的，在位于空气流D的方向上管2的后部的区域Z2中，可注意到流体再循环的显著降低。这是由于翅片4的沟槽5a，5b，5c造成的，其中，所述沟槽5a，5b，5c引导空气在轴向上流向管2的后部，使得可以减少热交换差的区域，且引出翅片4的更好效用。

图9示出，对于具有平坦外形翅片的管2(曲线9A)和对于具有根据本发明的包括同心沟槽5a，5b，5c的翅片4的管2(曲线9B)，作为管2上空气正面速度函数的载荷损失。总的来说，可注意到载荷损失的增加，这种载荷损失的增加是由凸纹5中的表面或翅片4的沟槽5a，5b，5c引起的。这种载荷损失的增加可通过沿管2相互间隔翅片4来补偿。为了这些和接下来的循环，两个相继的翅片之间的步长P因此根据翅片的表面是否具有凸纹而不同：平坦外形的翅片的情况下是2.54mm，而在具有同心沟槽5a，5b，5c的根据本发明的翅片4的情况下是3mm。这样，如图9中可看到的，由凸纹5中的表面引起的载荷损失的增加保持很轻微。

图10示出，对于具有平坦外形翅片的管2(曲线10A)和对于具有根据本发明的包括同心沟槽5a，5b，5c的翅片4的管2(曲线10B)，且对于如上所述的翅片之间的步长P，作为管2上空气正面速度函数的交换功率(puissance échangée)。热交换器1的交换功率，或者说，所获得的增益，依据空气的正面速度而增加大约10％-25％，这对应于每单位交换器长度2％-10％的性能改善。

而且，沿管2的翅片4的间隔使得可以减少用来形成翅片的材料，这就补偿了通过改变翅片的表面而在翅片4上的凸纹5中形成表面而带来的材料增加，且减少了使用的材料量，以实现每米约3％-6％的节约。

Claims (9)

1.管式热交换器(1)，其包括具有翅片的管(2)，其中，所述管以一特定的轴向方向(A)延伸，并且配设有热交换翅片(4)，每个翅片具有包围管的热交换表面，所述翅片相对于所述管以一特定的径向方向(E)延伸，并且，所述翅片按凸纹方式构造，以形成按所述径向方向相互间隔的沟槽(5a，5b，5c；6a，6b，6c)，

其特征在于，翅片的所述沟槽有不同的尺寸，所述尺寸随着在所述径向方向上远离所述管而减小，以此形成对围绕所述管的流体的引导。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，翅片的所述沟槽有不同的深度和宽度，所述深度和宽度随着在所述径向方向上远离所述管而减小。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，每个翅片具有一厚度，所述厚度随着在所述径向方向上远离所述管而减小。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其特征在于，翅片的所述沟槽依据同心形状的图式相互隔开。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其特征在于，翅片的所述沟槽依据椭圆形状的图式相互隔开。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热交换器，其特征在于，翅片的所述沟槽以相拼接的方式相互隔开。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器，其特征在于，每个翅片具有作为热交换面的两个相对面(4c，4d)，所述沟槽布置在所述翅片的所述两个相对面上。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述管每个都配备有热交换翅片，所述热交换翅片以螺旋形的方式缠绕于所述管周围。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述管每个都配备有多个翅片，所述多个翅片是盘形的。

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