CN1030105C - 热交换管 - Google Patents

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Abstract

一热交换器表面用来使与其表面接触的高压致冷剂沸腾。此表面包括多个从与沸腾液体接触的一侧延伸出的间隔鳍片。每一鳍片有一与表面底部相连的基座部分及一尖端部分，尖端部分弯向下一个相邻的鳍片而在相邻鳍片间形成表面下通道。表面下通道有交替的封闭部分，在此处一段尖端部分再弯一些以使这段尖端部分与相邻鳍接触，而开口部分里弯曲尖端部分与相邻鳍是分开的。每个开口部分横截面积为0.00142厘米2至0.00228厘米2。

Description

本发明涉及热交换器，更具体地涉及一种具有螺旋传热鳍片的热交换器。
在某些制冷应用中，比如冷凝器或蒸发器中，被冷却的液体经过一管子，而液体致冷剂与此管子的外表面相接触。致冷剂从液态变成蒸汽状态，于是从管内的待冷却液体吸收热量。如何选择管子的外部结构在决定管子的沸腾特性和总的传热率方面有非常大的影响。
已经发现核化沸腾点的产生可加强对沸腾液体的热传递。已经有理论认为在热交换器表面提供蒸汽截留空腔可产生核化沸腾点。
在核化沸腾时，热交换器表面使邻近截留蒸汽泡的液体过热。当此液体在液汽交界面处汽化时热量传给汽泡，汽泡变大直到弹力和冲力克服了表面张力，而汽泡从表面破裂。当汽泡离开表面时，新的液体浸湿了现已空出的区域，而剩下的蒸汽又增加了液体源以使蒸汽形成下一个汽泡。液体的汽化、邻近于热传递表面的已加热液体的连续剥离以及由于汽泡对液池的搅动而产生的传统效果使热交换器表面的热传递率提高了。蒸汽截留空腔内发生的热传递的机理最准确地描述成薄层蒸发。我们知道在形成蒸汽泡的区域表面热传递率较高。结果，总的热传递率趋向于随着热交换器表面每单位面积上蒸汽截留点的密集度而增加。比如授予Webb的美国专利No.3，696，861的题为“具有高的沸腾热传递系数的热传递表面”的专利。在Webb的专利中，热交换器上的鳍片沿单一方向卷向邻近的一个鳍片以在相邻鳍片间形成狭窄的缝隙。在Webb专利中，理论 表明了这些狭窄缝隙产生了表面下的蒸汽截留点或截留空腔，还表明这些狭窄缝隙起着将截留点或截留空腔与沸腾液体相连通的凹腔开口的作用。
在沸腾热传递理论中我们也知道相邻鳍片间具有连续缝隙的管子会降低性能，即来自周围环境的过多流量的液体致冷剂会吸入及涌入蒸汽截留点或使截留点失效。
已经论及了涌入问题，而且建议了采用具有通过表面开口或细孔与环境连通的表面下通道的加强管，其中开口或细孔与封闭部分相交替。作为例子，这种管子示于Mathur等人的题为“高性能热传递管”的美国专利No.4，438，807中。Mathur专利提供了交替的开口和封闭部分，其中只在内肋上面或管内形成的凹部上面的那些位置才有空腔的开口。
题为“制造加强的热传递表面的装置”的美国专利No.4，765，058中揭示了一种鳍片管，它具有多个由于弯过邻近鳍片而构成的表面下通道，这些通道通过大量的均匀间隔且大致固定尺寸的表面细孔与外部空间相连通。
此No.4，765，058专利指出了表面下通道的尺寸以及管子表面上细孔的尺寸、数目、形状对R-11的应用特别关键。已经发现根据此专利所制造的管件为采用如R-11之类的低压致冷剂提供了一种性能非常高的蒸发器管。然而已经发现根据此专利的细孔密度对于比如R-22的较高压力的致冷剂没有带来所希望的高性能热传递特性。
R-11是大家知道的氯氟碳（CFC'S）致冷剂族中的一员。最近，越来越多的科学舆论认为，CFC'S的辐射会促使消除用来保护地球表面免受紫外辐射有害作用的平流臭氧层。国际条约及联邦和各州的法规中都在考虑将来对CFC'S的使用、制造、进口及处理制定法规。R-22是大家知道的氢氯氟碳（HCFC'S）化合物族中的一 员。人们相信，由于存在氢成分，HCFC'S在较低大气层中基本分解了，结果其消除臭氧的能力大大低于R-11和其他CFC致冻剂。因此将来希望更广泛地使用R-22。
当结合如R-22之类的高压致冷剂使用时提供最佳热传导的高性能沸腾管包括一导热的基座部件以将热量从其一侧的热源传至另一侧的沸腾液体。多个隔开的鳍片从与沸腾液体接触的一侧延伸。每个鳍片都有一个与基座部件及一尖端部件相连的底座部分。尖端部分向下一个邻近的鳍片弯曲以在相邻鳍片间形成一个表面下通道。此表面下通道具有交替的封闭部分和开口部分，在封闭部分处的尖端部分的一段另外再弯曲一些以使这段尖端部分与相邻的鳍片接触，在开口部分处，弯曲的尖端部分与相邻的鳍片隔开。每个开口部分的横截面积从0.00142厘米2至0.00284厘米2，这样开口部分形成了某一尺寸的交替的凹部开口以提高高压致冷剂的最佳沸腾。较可取地，开口部分的总开口面积为另一侧的整个表面积的14%至28%。
图1是鳍片管的前视图，显示了多个鳍片形式，提供了本发明的核心沸腾表面;
图2是包括一蒸发器的制冷系统示意图，蒸发器中可采用本发明的核心沸腾表面;
图3是美国专利No.4，765，058的已有技术传热管的立体图;
图3a是图3的一部分管子表面的放大图;
图4是本发明的采用高压致冷剂的高性能蒸发器管子的立体图;
图4a是图4管子的部分传热表面的放大图;
图5是图4管子传热表面放大约50倍的局部示意图;
图6是采用高压致冷剂的本发明高性能蒸发器管子与已有技术的加强管的沸腾性能相比较的曲线图。
本发明的热交换表面及管件与先前的Zohler的美国专利No.4，765，058所揭示的那种相比有了特别的改进。先前的Zohler专利的管件可首先采用鳍片成形盘在未成形管的外表面形成外鳍片盘旋来进行制造。其结果是相邻的盘旋鳍片的尖端部分弯向相邻的鳍片。这样产生了绕管件外侧延伸的大致封闭的细长空间，下面将其称作表面下通道。如果鳍片是分离的圆形鳍片，则每个空间包含一个单独的环形表面下通道。如果另一方面，鳍片成螺旋状，则表面下通道绕管件的外部螺旋地延伸。
如在先前Zohler专利中所揭示的那样，表面下通道有交替封闭的部分，在那里一部分尖端部分另外再弯一些以与相邻的鳍片接触，另外，表面下通道还有开口部分，在那里弯过的尖端部分与相邻的鳍片隔开。开口部分构成了交替的凹入开口，这些开口使淹没管子的那部分流体的沸腾得到促进。
已经发现根据Zohler的058号专利制造的具有大量非常小的、均匀间隔的且尺寸固定的表面细孔的管件当采用比如R-11的低压致冷剂时带来了显著改善的传热性能。然而，用同样的管件，当采用如R-22之类的较高压的致冷剂时，不能产生所预期的性能改进。
根据本发明，已经发现单个细孔本身的横截面面积在采用如R-22的较高压致冷剂时对传热能力获得显著提高是关键性的因素。
现请参照附图，图1显示了本发明的传热表面应用于未预先成形的管子的方式。此图显示了制作传热表面的顺序步骤，此传热表面可根据Zohler的058号专利进行制造。多个间隔的鳍片12从基座部件或管子10延伸，并可以图示形状的连续螺旋的方式相连。鳍片12可用单独材料制成后连结到管子10的外表面，或者可从管子10机加工而成一体。图1的右边，鳍片12弯转成每个鳍片12的尖端部分14与下一个相邻鳍片隔开而不与之接触。图1中的最后三排 鳍片显示了经过适当加工而产生了分别用数字标号16和18表示的交替封闭和开口部分的鳍片。
在继续进行对较佳实施例的描述之前应当指出，这里所有的附图不是以实际的比例描绘管件、表面和开口等等。本发明的许多特征是“微观”的。这里所用的“微观”一词指物体很细小而不用显微镜则很难辨认。在本发明的一种典型管件中，用肉眼看，管子表面绕有螺旋线且表面粗糙。而不求助显微镜则不容易辨认单个的封闭或开口部分。由于对本发明来说，开口部分的实际横截面面积是关键的，因此将表面及开口显示成这些开口的尺寸与已有技术相比可清楚地得到辨别。这些“微观”特征的实际尺寸对所说的本发明也是关键的，因此这里结合附图详细地给出了这些特征的尺寸。
作为比较，图3显示了根据058号专利的传热管。图3A显示了放大了的图3管子的表面。
图4显示了采用较高压致冷剂的本发明的传热管。图4A显示了放大了的图4的管子表面。在图4和图4A的管子中，（与图3及图3A相比）每隔一个的封闭部分16被消除了，结果使在同样尺寸的管子绕周向的开口18数目为一半。单个开口的尺寸比已有技术管件的要大得多，这在后面可以看出。
再看图5，将描述采用R-11时具有高性能传热表面的058号专利的传热管的尺寸。此后还将给出采用较高压的致冷剂的高性能传热管的相应尺寸。提到的尺寸将首先进行定义和/或描述然后在表中给出。
外径：OD是具有传热表面的管件的公称直径。
每2.54厘米外鳍片：此数字表示每2.54厘米长的管件所形成的如图1中数字12所指的鳍片数目。
槽宽：现参看图5，“槽”指热传递表面的封闭部分，而槽宽由周向测量的尺寸“W”所表示。
槽数/鳍片/圈数：这表示每圈管子上的槽数，此数目必然也等于绕管子每圈的每个鳍片的开口区或“细孔”数目。
细孔尺寸：图5中的尺寸“l”和“d”表示单个细孔开口的公称线性尺寸。
细孔大小：每个单独的细孔形状在尺寸上与半个椭圆相似。采用熟知的椭圆几何关系，单个细孔的横截面积最好由下列等式近似地得出：
细孔面积＝1/2π（“l”/2）（d）
根据美国专利No.4，765，058的R-11管子。
公称直径：1.83厘米
外鳍片/2.54厘米：42.5
槽宽：W＝0.028厘米
槽数/鳍片/圈：67
细孔尺寸：d＝0.0114厘米
l＝0.0757厘米
从上可知，对于R-11管子，细孔的公称横截面积可计算出：1/2π（“l”/2）（d）＝0.00068厘米2。
较高压致冷剂的高性能管子：
公称直径：1.83厘米
外鳍片/2.54厘米：42.5
槽宽：W＝0.028厘米
槽数/鳍片/圈：34
细孔尺寸：d＝0.0160厘米
l＝0.1587厘米
利用上述数据，高压致冷剂高性能管子的细孔的公称横截面积是0.00199厘米2。
由上可注意到高压的高性能管子的单个细孔开口的横截面积差 不多是采用低压R-11致冷剂时具有高性能的管子的横截面积的三倍。
为了更全面地表示本发明高压致冷剂管子与已有技术的区别，对上述例子中所描述的管子的细孔总面积进行了比较。对于公称直径（d）为1.83厘米的整体管子，对每英寸长的管子其圆柱形参考面积可计算得出：A＝πd＝5.746厘米2。以此作为参考，每个管子的开口面积的百分比可计算如下：
开口面积百分比＝ (开口面积／2.54厘米)/(5.746厘米2／2.54厘米)
R－11管子开口面积百分比
＝ (（67开口／鳍片）（0.00068厘米2）（42.5鳍片／2.54 厘米）)/(5.746厘米2／2.54 厘米)
＝13.2%
R-22管子开口面积百分比
＝ (（34开口／鳍片）（0.00199厘米2）（42.5鳍片／2.54厘米）)/(5.746厘米2/2.54厘米)
＝19.7%
将根据美国专利No.4，765，058的R-11管子的开口面积百分比为根据本发明的R-22管子开口面积百分比相比较，显示出R-22管子的总开口面积大了将近50%。
本发明能显著提高性能的这类较高压致冷剂包括R-12、R-13、R-22、R-134a、R-152a、R-500、R-502及R-503等，但不限于这些。
一个有助于确定与本发明有关的“较高压致冷剂”一词的方便的关系式就是克劳-克莱皮伦等式：
(dP)/(dT) ＝ (λ)/(TΔV)
其中，P＝压力
T＝相变发生的温度
λ＝相变潜热
ΔV＝伴随相变的体积变化
此等式是将相变潜热与其他所定义的参数相联系的基本等式。dP/dT一项可以简单地定义成蒸汽压力曲线的斜率，且能利用发表的致冷剂图表中的数据对不同致冷剂方便的进行计算。比如，可以从ASHRAE（美国加热、制冷及空调工程协会）的一些出版物中获得这些数据。
表1中列出了一些被认为是低压致冷剂在4.5℃时的dP/dT一项的数值。类似地，表2中给出了一些较高压致冷剂的dP/dT值。
表1    低压致冷剂的dP/dT值
致冷剂    dP/dT
R-11    0.0065巴/℃
R-113    0.0028巴/℃
R-114    0.013巴/℃
表2    较高压致冷剂的dP/dT值
R-12    0.035巴/℃
R-13    0.179巴/℃
R-22    0.058巴/℃
R-134a    0.0388巴/℃
R-152a    0.035巴/℃
R-500    0.044巴/℃
R-502    0.064巴/℃
R-503    0.0249巴/℃
上表中很明显较高压致冷剂的蒸汽压力曲线的斜率要大得多。对于本发明的目的来说，所指的较高压致冷剂一词包括其蒸汽压力 曲线的斜率dp/dt大于约0.0238/℃的致冷剂。
我们还相信本发明的管子使采用较高压致冷剂的性能大大提高，在管子中单个细孔的横截面积在0.00142厘米2至0.00284厘米2的范围内，而其总开口面积为有效传热表面的总表面积的14%至28%。
而且，已经发现采用R-22时的单个细孔的横截面积应在0.00172厘米2至0.00228厘米2的范围内，而开口部分的总面积为有效传热表面的总面积的16.7%至22.5%。
现请参看图6，它图示了在实施本发明管子的“R-22”管与实施美国专利No.4，765，058管子的“R-11”管之间进行比较的单位长度传热系数和单位长度热流量。为实现此比较，两种管子都用R-22进行测试，且可从比较中得知，根据本发明的高性能蒸发器管“R-22”比采用R-22致冷剂的“R-11”管的单位传热系数增加了约20%的至40%。
图2示意地显示了一种标准压缩制冷系统，它具可采用本发明传热表面的管壳式蒸发器20。蒸发器20与包括一压缩机22、冷凝器24及膨胀装置26相连的制冷回路相连。往复式或离心式压缩机都可使用，为说明起见，图中显示了一个离心压缩机22。蒸发器20由一外壳21、端盖23和25以及将待冷却液体从进口端盖23导至出口端盖25的间隔很近的管子30组成。水或其他待冷却液体从进口28流过管子30并通过出口32排出。来自冷凝器24的致冷液在从膨胀阀26流出时膨胀进入外壳21。进入蒸发器20的致冷剂是液体和蒸汽的混和物。当致冷剂流过与管子30外侧相接触地流过外壳21时液体被蒸发。这样由于强制对流和核化沸腾结合的方式引起了热量传递至致冷剂。
虽然促使本发明能在采用高压致冷剂时为增加的热传递提供高性能沸腾表面的准确机理很难确切描述，但可以相信低压致冷剂和 高压致冷剂之间的空气密度的大差异会有助于解释较大横截面积会增加较高压致冷剂性能的原因。高低压致冷剂的液体密度很相似，比如R-22和R-11。另一方面，这些致冷剂的蒸汽密度差别很大，低压致冷剂每0.45千克致冷剂的蒸汽体积极高。其结果是，对于相同体积的液体，低压致冷剂会产生体积大得多的蒸汽或在沸腾状态蒸汽本身表现为汽泡。
现在简单地总结存在表面下通道和凹入开口时在沸腾传热状态下会发生什么。我们相信由于有利的压差，液体致冷剂被引导通过一些凹入开口进入表面下通道。当液体致冷剂开始加热时它在表面下通道内的“薄层”蒸汽-液体交界处蒸发。蒸汽形成并试图从表面下通道通过其他凹入开口逸出。当汽泡逸出时在空腔处形成了低压区，结果吸入液体而补充以汽泡形式逸出的那部分，此循环自身重复。理论解释是，由于将液体吸入表面下通道的离开的汽泡的泵吸作用、表面下通道内的毛细管作用使导入的液体扩散以及接着的液体汽化以形成另一代汽泡这些原因，维持了形成汽泡的机制。
在薄层蒸发传热理论中已知，如果凹入开口太大，则表面下空间或通道将充满液体致冷剂且不会形成汽泡。由本发明所知的关系是，对于低压致冷剂，小体积液体会产生较大汽泡，从而通过产生的冲力，有助于自然泵吸机理，而此自然泵吸机理导致机理通过表面细孔和表面下通道系统的液体。结果，很小的交替开口和封闭部分将产生极高性能的管子。另一方面，较高压致冷剂对于同样体积的液体致冷剂产生了小得多的汽泡，且在系统内导致较低的泵吸能力。因此需要较大的凹入开口或细孔来使美国专利No.4，765，058中所描述的那类高性能传热管在使用高压致冷剂时性能显著提高。

Claims (4)

1、一种热交换管，包括：一管子，用来引导较热液体并通过将热量传递给此管子周围的沸腾液体来使之冷却，一成形于所述管子外表面并与所述管子同轴设置的螺旋形传热鳍片，所述螺旋鳍片具有与所述管子的外表面成一体的基底部分，所述鳍片从其基底部分向外延伸至尖端部分，尖端部分弯向下一个所述邻近鳍片以在邻近鳍片之间形成一个表面下通道，所述表面下通道具有交替的封闭部分和开口部分，在封闭部分处所述尖端部分的一段另外再弯过一些以使这段所述尖端部分与相邻鳍片相接触，在开口部分处所述弯曲部分与所述邻近鳍片隔开，其特征在于，每个所述开口部分的横截面积从0.00142厘米2至0.00284厘米2，所述开口部分的总开口面积是所述管子的总外表面积的14%至28%。
2、如权利要求1所述的热交换管，其特征在于，所述沸腾液体是较高压致冷剂，所述致冷剂的蒸汽压力曲线的斜率大于约0.023巴/℃。
3、如权利要求2所述的热交换管，其特征在于，所述的较高压致冷剂从由R-12、R-13、R-22、R-134a、R-152a、R-500、R-502及R-503组成的致冷剂组中选出。
4、如权利要求3所述的热交换器，其特征在于，所述致冷剂是R-22，所述开口部分的所述横截面积在0.00172厘米2至0.00228厘米2的范围内，所述开口部分的总面积是所述管子总外表面积的16.7%至22.5%。
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