CN101881571A - 翅片管热交换器 - Google Patents

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R·R·埃尔德蒙格
S·A·利昂
T·F·泰勒
张华�
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Abstract

本发明涉及一种翅片管热交换器，具体而言，热交换器(10)包括管道(12)和自管道(12)的外表面(16)延伸的翅片(14)。翅片(14)包括第一组翅片和第二组翅片，其中，第一组翅片(24)相对于管道(12)的轴向在第一方向上定向，而第二组翅片(26)相对于管道(12)的轴向在第二方向上定向，以使第一组翅片和第二组翅片的至少一部分暴露于自由流。

Description

翅片管热交换器
技术领域
本发明大体涉及热交换器，并且更具体而言，涉及翅片管热交换器。
背景技术
翅片管热交换器包括管道和设置在管道的外表面上的翅片。关于翅片的多个设计在本领域中是已知的，包括锯齿式翅片构造。可通过在金属片材中产生锯齿并且然后将锯齿式片材缠绕在管道周围来在管道上形成锯齿式翅片构造。
包括锯齿、切口以及弯曲方面的翅片在本领域中是已知的。Kimura(EP 0854344A2)公开了一种具有翅片管的热交换器。通过将具有圆形板的形状的翅片附连至管道的外表面来制造翅片管。各翅片设有弯曲部分，这些弯曲部分通过这样的方式形成：在翅片的周缘部分中形成径向切口，以将周缘部分分成多个段，然后使各段沿着自径向切口上的点延伸的弯曲线在管道的轴向上弯曲。弯曲部分可在相同的方向上或者在交替相反的方向上形成。弯曲部分或尖端实现了提高的流混合。所产生的弯曲尖端基本上为涡流发生器。涡流发生器的目标是产生将来自自由流(free stream)的较高的能量粒子带到低能量粒子的涡流。涡流发生器重新激发(reenergize)边界层，并且利用缓慢的再循环防止流分离。因此，弯曲部分影响流动并防止或减轻流分离，但不作为主传热表面起作用。从而，危及传热能力。
Shigenaka(U.S.Pat.No.5,617,916)公开了一种通过将锯齿式翅片条缠绕在管道周围而形成的翅片管热交换器。使翅片相对于沿着翅片条的与管道接触的底部部分的接触线以一定扭转角扭转。还使翅片相对于垂直于管道的轴线的直线以一定倾斜角倾斜。热交换器的这种设计提高了流混合。提高的流混合引起较高的传热。但是，提高的流混合也引起增大的压力损失。所有翅片具有相同水平的倾斜角和扭转角。因此，上游翅片将遮住下游翅片，下游翅片将只经历低速再循环。由于提高的混合，这种扭曲和倾斜可提高传热，但这种效果是在一些时刻后会成为有害的。可能存在增大的压力损失，因为流很有可能将分离。
为了降低成本，所期望的是提高翅片管的传热性能。传热的提高通常与系统中的压降的增大相关联。典型地，可通过提高流的湍流或有效的传热面积来实现提高的传热。通过提高流的湍流水平来实现较高的传热是可能的，但这种提高通常由于热交换器的压降的增大而受到不利。使用锯齿式翅片来在流中产生湍流，以便提高热交换器的传热性能。但是，与简单的实心翅片相比，锯齿式翅片产生增大的压降，并且具有较少的用于传热的材料和面积。
因此，所期望的是提供一种具有增大的传热能力而没有不利压降的翅片管热交换器。
发明内容
根据本文中公开的一个实施例，一种热交换器包括管道和自管道的外表面延伸的翅片。翅片包括第一组翅片和第二组翅片，其中，第一组翅片相对于管道的轴向在第一方向上定向，而第二组翅片相对于管道的轴向在第二方向上定向，以使第一组翅片和第二组翅片的至少一部分暴露于自由流。
根据本文公开的另一个实施例，一种热交换器包括管道和自管道的外表面延伸的翅片。翅片包括邻接翅片组，邻接翅片组相对于管道的轴向在第一方向和第二方向上交替地定向，以使得邻接翅片组暴露于自由流。
根据本文公开的另一个实施例，一种热交换器包括管道和在螺旋路径上自管道的外表面延伸的翅片。翅片包括沿着螺旋路径以预定布置设置的锯齿式区段和实心区段。
根据本文公开的另一个实施例，一种热交换器包括管道和在螺旋路径上自管道的外表面延伸的翅片。翅片包括沿着螺旋路径交替地设置的锯齿式区段和实心区段。锯齿式区段或实心区段中的任何一个的一部分直接在自由流的路径中。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，在附图中，相同标号在图中始终表示相同部件，其中：
图1示出了根据本文公开的方面的翅片管热交换器的一个实施例的局部透视图。
图2示出了根据本文公开的方面的翅片条的平面图。
图3示出了根据本文公开的方面的翅片条的侧视图，其中，仅交替的翅片相对于翅片条弯曲。
图4示出了根据本文公开的方面的翅片管热交换器的侧面平面图。
图5示出了根据本文公开的方面的翅片管热交换器的正面平面图，其中，为了清楚只描绘了少数翅片。
图6示出了根据本文公开的方面的翅片管热交换器的局部截面图。
图7示出了从一端所观测的标准的锯齿式翅片管的平面图。
图8示出了根据本文公开的方面的翅片条的侧视图，其中，交替的翅片相对于翅片条在相反的方向上弯曲。
图9示出了根据本文公开的方面的翅片管热交换器的另一个实施例的侧面平面图。
图10示出了根据本文公开的方面的图9的翅片管的正面平面图，其中，为了清楚只描绘了少数翅片。
图11示出了根据本文公开的方面的图9的翅片管的局部截面图。
图12示出了根据本文公开的方面的翅片管的另一个实施例的局部截面图。
图13示出了比较带有弯曲翅片的翅片管热交换器和不带有弯曲翅片的传统锯齿式翅片管热交换器的考尔本因数(Colburn factor)的图表。
图14示出了比较带有弯曲翅片的翅片管热交换器和不带有弯曲翅片的传统锯齿式翅片管热交换器的摩擦因数的图表。
图15示出了根据本文公开的方面的、带有直接在自由流的路径中的锯齿式区段的翅片管热交换器的另一个实施例的侧面平面图。
图16示出了根据本文公开的方面的图15的翅片管热交换器的正面平面图。
图17示出了根据本文公开的方面的、带有仅形成于选定位置中的切口的翅片条的平面图。
图18示出了根据本文公开的方面的、带有在自由流的路径中的实心区段的翅片管热交换器的侧面平面图。
图19示出了根据本文公开的方面的、带有传热加强特征的翅片管热交换器的另一个实施例的侧面平面图。
图20示出了根据本文公开的方面的用于容纳翅片管的框架。
部件列表
10翅片管热交换器
12管道
14翅片
16管道的外表面
18轴线
20切口20
22翅片条
24第一组翅片
26第二组翅片
28螺旋路径
30管道的轴向
32标准的锯齿式翅片
34翅片
40翅片管热交换器的另一个实施例
42邻接翅片组
44管道的轴向
46管道
48翅片条
50管道的外表面
52螺旋路径
60翅片管热交换器的另一个实施例
62管道
64翅片
66管道的外表面
68螺旋路径
70锯齿式区段
72实心区段
74单独的翅片
76翅片条
80自由流
82传热加强特征
84框架
86用以安装翅片管的机构
具体实施方式
本文公开的实施例包括锯齿式翅片管热交换器。翅片管热交换器包括管道和自管道的外表面延伸的翅片。翅片以与标准的锯齿式翅片管热交换器相比增大传热能力且降低或最大程度地降低压降的方式布置和设计。在一个实施例中，翅片包括相对于管道的轴向沿着对应于第一方向和第二方向的螺旋路径设置的锯齿式翅片。在另一个实施例中，翅片包括沿着螺旋路径以预定布置设置的锯齿式区段和实心区段。如本文中所使用的那样，诸如“一”、“一个”以及“所述”的单数形式包括复数对象，除非上下文清楚地另有规定。
参照图1-3，翅片管热交换器10的实施例包括管道12和自管道12的外表面16延伸的多个翅片14。管道12具有沿着穿过管道12的中心的轴线18的长度。翅片14以大体螺旋的构造设置在管道12的外表面16周围。可通过首先在翅片条22上产生切口20来形成翅片14。然后将翅片条22成螺旋形地缠绕和附连在管道12的外表面16上。在一个实施例中，每个交替的翅片14相对于翅片条20弯曲。第一组翅片24包括未弯曲翅片，而第二组翅片26包括弯曲翅片。第二组翅片26可相对于翅片条22的平面以从-90度变化至+90度的任何角度弯曲。
图4-6示出了翅片管热交换器10的各种视图。第一组翅片24的翅片显示为阴影，以区别于第二组翅片26。翅片条22在管道12周围设置在螺旋路径28中。第一组翅片24相对于管道12的轴向30在第一方向“θ1”上定向。管道的轴向30沿着管道12的轴线18。第二组翅片26相对于轴向30在第二方向“θ2”上定向。因为仅第二组翅片26是弯曲的，因此第一组翅片24与螺旋路径28成直线，并且第二组翅片26相对于螺旋路径28以角度“θ3”定位。因此，第二组翅片26中的翅片在螺旋翅片条22的平面之外。在如图7中所示的标准锯齿式翅片32中，所有翅片34相对于彼此具有相同的定向，并且翅片34将与螺旋路径大体成直线，即θ1＝θ2且θ3＝0。
在如图8中所示的另一个实施例中，交替的翅片相对于翅片条22在相反的方向上弯曲。例如，第一组翅片24可相对于翅片条22的平面以从0度变化至+90度的任何角度弯曲，并且第二组翅片26可相对于翅片条22的平面以从-90度变化至0度的任何角度弯曲。在这种情况下，在翅片条22成螺旋形地缠绕在管道周围之后，第一组翅片24和第二组翅片26两者将相对于螺旋路径成角度。
第一组翅片24和第二组翅片26的布置导致了这样的构造，即，在其中每个翅片沿着螺旋路径28相对于邻接的翅片不同地定向。因此，各翅片暴露于流向管道12的自由的空气流(由图5中的箭头表示)。自由的空气流处于较高的温度下，并且因此对于传热存在较大的潜能。形成在各翅片14的表面处的边界层为对较好的传热的主要障碍之一。第二组翅片26(弯曲翅片)将使旋涡流出(shed)，从而提高下游流的混合，并且增强边界层的混合和干扰。由于在平面之外，第二组翅片26不会显著地受到来自上游翅片的任何边界层的影响。这将减小局部热阻，从而提高传热能力。
此外，与传统的锯齿式翅片相比，流在未弯曲上游翅片24之后且直到未弯曲下游翅片24行进的距离较长，因为弯曲翅片26不会阻挡未弯曲上游翅片24和未弯曲下游翅片24之间的流。增大的距离允许在下游翅片的前缘处的尾流消散(weak dissipation)和提高的速度。任何剩余的尾流在与下游翅片碰撞后被消除。第一组翅片24(未弯曲翅片)和第二组翅片26(弯曲翅片)的不同定向将导致更接近三维流场而不是二维流的流动状态。在传统的锯齿式构造(在其中，翅片26不是弯曲的)中，尾流消散将短得多。
从压力损失或压头损失方面看，与标准的锯齿式翅片管相比，翅片管热交换器10不具有不利的影响。翅片14周围的流动处于层流和低湍流方式。与标准的锯齿式翅片管相比，壁摩擦损失应该是不变的，因为不存在翅片的面积的增大。与标准的锯齿式翅片管相比，仅在幅度没有很大变化的情况下使由翅片14产生的尖端旋涡移位。
在如图9-11中所示的另一个实施例40中，邻接翅片组42相对于管道46的轴向44在第一方向和第二方向上交替地定向。例如，邻接翅片对42在第一方向和第二方向上交替地定向。在第一方向上定向的翅片显示为阴影，以区别于在第二方向上定向的翅片。第一方向相对于管道46的轴向44成角度“θ1”，而第二方向相对于管道46的轴向44成角度“θ2”。可通过在将翅片条48缠绕在管道46的外表面50周围之前使每个交替的邻近的翅片对42弯曲来实现此构造。在如图12中所示的另一个实施例中，交替的翅片对可弯曲以使得第一方向和第二方向相对于螺旋路径成角度。
第一方向将与螺旋路径52成直线，而第二方向将相对于螺旋路径52成角度“θ3”。因此，每个邻接翅片对42暴露于流向管道46的自由的空气流(由箭头表示)。如之前关于图4-6的实施例所论述的那样，从压力损失或压头损失方面看，与标准的锯齿式翅片管相比，翅片管热交换器40还具有增强的传热能力，并且不具有不利的影响。
以上描述的弯曲翅片实施例提供了与标准的锯齿式翅片相相比更高的传热系数，并且还提供了实心翅片管构造。实验结果显示传热系数与标准的锯齿式翅片相比提高了约8％。与标准的锯齿式翅片相比，在不提高压力损失的情况下实现了增大的传热能力。使用考尔本因数(j)来描述传热系数的特征，并且使用摩擦因数(f)来描述压降的特征。对于具有弯曲翅片的翅片管热交换器和不具有弯曲翅片的传统的锯齿式翅片管热交换器，考尔本因数和摩擦因数分别以实验的方式确定并且在图13和14中绘制成作为质量通量G的函数。在使用翅片管侧边上的加热的空气和管道内部的水的情况下，在风洞实验中获得图13和14中的数据。在包括布置成交错型式的四排翅片管的管束(bundle)上测量进气压力和温度以及出气压力和温度。根据这些量度，确定了随质量通量变化的考尔本因数和摩擦因数。
参照图15-17，翅片管热交换器60的另一个实施例包括管道62和在螺旋路径68上自管道62的外表面66延伸的翅片64。翅片64包括锯齿式区段70和实心区段72。锯齿式区段70和实心区段72沿着螺旋路径68交替地设置。锯齿式区段70包括基本延伸直到管道62的外表面66的多个单独的翅片74。翅片64可形成于翅片条76上。在翅片条76上对应于锯齿式区段70产生切口78。然后将翅片条76成螺旋形地缠绕并附连至管道62的外表面66。不带有切口的翅片条76的部分形成实心区段72。
在一个实施例中，在管道62周围的翅片条76的单次旋转一周(revolution)包括交替地布置的两个锯齿式区段70和两个实心区段70。因此，参照图15，在管道62的顶侧上的所有锯齿式区段70彼此成直线，而在管道62的底侧上的所有实心区段72彼此成直线。类似地，在管道62的左侧上的所有锯齿式区段70彼此成直线，而在管道62的右侧上的所有实心区段72彼此成直线。
锯齿式区段70和实心区段72的组合提高了流的湍流，从而提高了传热能力，并且最大程度地降低了整体压降。与具有多个单独的翅片的标准的锯齿式翅片管(在图7中显示)相比，实心区段提高了可用的传热面积。翅片管中的单独翅片的数量的减小将导致降低的压降。可根据流动状态来确定翅片管相对于流的定向，以便提供提高的传热和降低的压降之间的平衡。在图15中所示的实施例中，翅片管60定位成使得管道62的一侧上的锯齿式区段70直接在自由流80的路径中。在如图18中所示的另一个实施例中，翅片管60定位成使得管道62的一侧上的实心区段72直接在自由流80的路径中。翅片管60还可包括传热加强特征82，例如凹槽、凹痕(dimple)或如图19中所示的在实心区段上的皱褶(corrugation)。
翅片管60可如图20中所示的那样布置成管束。可使用框架84来容纳翅片管60管束。框架84可包括机构86，以将翅片管60安装在特定位置上，从而使得管道60的一侧上的实心区段或管道60的另一侧上的锯齿式区段直接在自由流的路径中。在一个实施例中，机构86可包括在管道60的端部处的凹口和在框架84上的用于凹口的匹配特征，以使得翅片可相对于流适当地对准。
因此，翅片管热交换器提供了在没有不利压降的情况下增大传热的方式。在弯曲翅片实施例中，与标准的锯齿式翅片管相比，可在不增大压降的情况下提高传热能力。在实心锯齿式区段实施例中，与标准的锯齿式翅片管相比，可提高传热能力并且可降低压降。
应理解的是，根据任何具体实施例，可不必实现以上描述的所有这些对象或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文描述的系统和技术可以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点，而不一定实现如本文所教导或提出的其它对象或优点的方式来体现或执行。
虽然已经在本文对本发明的仅仅某些特征进行了说明和描述，但是本领域技术人员会想到许多修改和变化。因此，应理解的是所附权利要求意在涵盖落在本发明的真实精神内的所有这种修改和变化。

Claims (10)

1.一种热交换器(10)，包括：
管道(12)；以及
自所述管道(12)的外表面(16)延伸的翅片(14)，所述翅片(14)包括第一组翅片和第二组翅片，其中，所述第一组翅片(24)相对于所述管道(12)的轴向在第一方向上定向，并且所述第二组翅片(26)相对于所述管道(12)的轴向在第二方向上定向，以使所述第一组翅片和所述第二组翅片的至少一部分暴露于自由流。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第一组翅片和所述第二组翅片交替地布置以使所述翅片(14)中的各个暴露于所述自由流。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述翅片(14)通过以下方式形成：在翅片条(22)上产生切口(20)并且在将所述翅片条成螺旋形地缠绕和附连在所述管道(12)的外表面(16)上之前，使所述第一组翅片(24)、所述第二组翅片(26)或者所述第一组翅片和所述第二组翅片两者相对于所述翅片条(22)弯曲。
4.一种热交换器(40)，包括：
管道(46)；以及
自所述管道(46)的外表面延伸的翅片(42)，所述翅片(42)包括邻接翅片组(42)，所述邻接翅片组(42)相对于所述管道(46)的轴向(44)在第一方向和第二方向上交替地定向，以使所述邻接翅片组暴露于自由流。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述翅片(42)通过以下方式形成：在翅片条上产生切口并且在将所述翅片条成螺旋形地缠绕并附连在所述管道(46)的外表面上之前，使翅片的一部分相对于所述翅片条弯曲，以对应于所述第一方向和所述第二方向。
6.一种热交换器(60)，包括：
管道(62)；以及
在螺旋路径(68)中自所述管道(62)的外表面延伸的翅片(64)，所述翅片(64)包括沿着所述螺旋路径以预定布置设置的锯齿式区段(70)和实心区段(72)，其中，所述管道(62)定位成使得所述锯齿式区段(70)或所述实心区段(72)中的任何一个的一部分直接在自由流(80)的路径中。
7.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，所述锯齿式区段(70)和所述实心区段(72)沿着所述螺旋路径(68)交替地设置。
8.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，所述实心区段(72)包括凹槽、凹痕、皱褶或其它传热加强特征。
9.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，所述锯齿式区段(70)中的各个包括基本上延伸直到所述管道(62)的外表面的多个单独的翅片(74)。
10.根据权利要求9所述的热交换器，其特征在于，所述翅片(64)包括成螺旋形地缠绕并附连至所述管道(62)的外表面的翅片条(76)，其中，在成螺旋形地缠绕所述翅片条之前，在所述翅片条上产生对应于所述锯齿式区段(70)的切口(78)。
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