CN104422327A - 管内单相流用导热管 - Google Patents

Abstract

本发明的管内单相流用导热管由在管外表面呈螺旋状形成有槽的波纹管构成。在该管内单相流用导热管中，单相流流体在管内流动，在该单相流流体和管外的流体、物质或辐射热之间进行换热。在该管内单相流用导热管中，管外径(OD)为6～20mm，管内径(ID)为5～19mm，所述槽的管轴方向上的间距(Pc)为15～25mm。此外，在该管内单相流用导热管中，管材质为铜或铜合金制。此外，在将所述波纹槽的深度设为Dc时，Dc/ID为0.051～0.097。

Description

管内单相流用导热管

技术领域

本发明涉及一种管内单相流导热管，其使管外的流体(自然制冷剂、氟利昂制冷剂、水等)的潜热或管外的物体(土壤热等的固体物质等)的潜热或者太阳能面板等的辐射热、与在管内流动的单相流流体(水、盐水等)进行换热，特别是，涉及一种在管内的流体处于低流速区域即低雷诺数Re区域(Re在3000以下)的情况下，不会增大紊流而使热传递率提高并且使管内流体的压力损失减少、从而适合于低流速区域内的使用的管内单相流用导热管。

背景技术

管内单相流用导热管是在管外表面呈螺旋状地形成有一个槽而成的波纹管，由铜或铜合金管构成。该管内单相流用导热管具有如下的具体用途，即，(a)在用于热泵热水器(例如，二氧化碳热泵热水器：EcoCute)的水―制冷剂换热器中使用的导热管，(b)在用于燃气热水器内的水―水的二重管式换热器中使用的导热管，(c)设置在太阳能热水器的太阳能面板内的热水配管，(d)埋入地下来使用的土壤热－水换热器配管用导热管。

对在管内外的流体间进行换热的设备展开节能化的研究，进行为了实现换热器单体的高性能化并且实现由热介质的搬运动力的减少带来的节能化的研究。作为减少热介质的搬运动力的方法，通常为了将热介质的流体向换热器内输送而使用泵，然而作为降低搬运动力的方案，采用通过使搬运流体的流量降低而使泵运转动力降低的方法。

另外，在换热器内中，具有使流体长时间维持高温的设备，作为其代表例而具有热泵热水器。该热泵热水器从管道水的供水口直接向换热器内送入作为流体的水，在换热器内使流体长时间维持高温，因此将管内的流体的速度设定得较低、而且该管道水的压力低于由泵等产生的搬运力，其结果是，通过管内的流体的速度变慢、在管内的雷诺数Re为3000以下的状态下使用的情况居多。在该低雷诺数区域，管内的流体成为层流区域，在层流区域内的热传递率与紊流状态下的热传递率相比降低，因此不得不通过提高使用的导热管自身的性能进行应对。

作为目前使用的代表性的导热管，存在平滑管、带有内表面槽的管(专利文献1)、波纹管(专利文献2、3)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2006－242553号公报

专利文献2：日本特开2007－218486号公报

专利文献3：WO2008/029639号公报

其中，如文字所述的、平滑管在内表面及外表面不具有槽等，管表面为平滑面。这样，若与流体接触的面是平滑的，则当流体在管内流动时，在管壁面形成速度分界层及温度分界层，该分界层阻碍流体间的换热。

带有内表面槽的管在管内设置有多个螺旋状的突起，该突起促进紊流而抑制在管壁面形成速度分界层及温度分界层。然而，通过在管内表面设置多个槽，会造成导热管的重量增加，由此存在使用材料增加而成本增大这样的问题。

波纹管在管的内表面及外表面以螺旋状且小间距地形成有较深凹凸。例如，专利文献2的波纹管的波纹间距为3至10mm，而专利文献3的波纹管的波纹间距为10mm。需要说明的是，在专利文献3中除波纹槽之外还形成有突起，该突起在波纹槽内以15mm的间距形成，因此管内表面的突出部小于10mm。

而且，在波纹管中，通过作为该波纹槽而形成的凹凸，即使在管内的流体在层流区域内流动的情况下，也可以促进紊流而提高热传递率。这对管外的流体也同样。然而，通过以螺旋状且小间距地形成较深的凹凸从而促进紊流，由此会造成管内流体的压力损失增大。另外，由于搬运动力增加且在管内堆积有水锈等堆积物，因而在极端的情况下会造成将管内堵塞这样的问题。

发明内容

【发明要解决的课题】

本发明是鉴于所述问题而完成的，其目的在于，提供一种在管内的流体的流速处于低流速区域的情况下，不会促进紊流而使热传递率提高并且能够降低管内流体的压力损失的管内单相流用导热管。

【用于解决课题的方案】

本发明的管内单相流用导热管由在管外表面呈螺旋状地形成有槽的波纹管构成，单相流流体在管内流动，在该单相流流体和管外的流体之间进行换热，所述管内单相流用导热管的特征在于，

管外径OD为6～20mm，管内径ID为5～19mm，

所述槽的管轴方向上的间距Pc为15～25mm。优选的是，该单相流用导热管为铜或铜合金制。

优选的是，在该管内单相流用导热管中，在将所述波纹管的槽的深度设为Dc时，Dc/ID为0.051～0.097。

本发明的管内单相流用导热管特别适合于所述单相流流体的雷诺数Re为3000以下的低雷诺数的情况。

【发明效果】

在本发明中，构成波纹管的槽的间距(波纹间距)为15～25mm，比以往的槽的间距长。而且，因管外表面的所述槽而在管内表面形成突起，形成在该突起间的凹部的长度变长。于是，在低雷诺数的区域内，流速慢且成为层流状态，而在该低流速的情况下增大槽的间距时，在管内流动的单相流流体的主流(通过管中央部的流体)与在所述凹部内进行对流的单相流流体的副流容易进行合流，从而导热性能提高。因此，即使在低雷诺数区域也能够实现较高的导热性能。此外，由于是低雷诺数区域，因此管内流体的压力损失很小。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的波纹管的纵剖视图。

图2(a)、(b)是表示流速慢的情况下的流体的流动的示意图。

图3(a)、(b)是表示流速快的情况下的流体的流动的示意图。

图4是表示测定热传递系数及摩擦系数等的试验装置的图。

图5是表示波纹槽间距Pc对流体造成的影响的坐标图。

图6是表示Dc/ID对流体造成的影响的坐标图。

图7是表示雷诺数Re与压力损失之间的关系的坐标图。

图8是表示雷诺数Re与热传递系数之间的关系的坐标图。

附图标记说明

1：导热管、2：波纹槽、3：突起、4：凹部、15：导热管

具体实施方式

以下，参照附图来具体说明本发明的实施方式。图1是表示本发明的实施方式的由波纹管构成的管内单相流用导热管的纵剖视图。对于波纹管1，通过将前端尖锐的工具按压在平滑管的外表面，在该状态下，例如使管旋转并且沿管轴方向移动等，利用工具将一个螺旋的槽2形成在管外表面上，从而形成波纹槽2。通过在管外表面形成槽2，从而在管内表面形成突起3，此外，在管内表面，在该突起3间形成有凹部4。需要说明的是，在图1中，OD为管外径，ID为管内径，管壁厚由δ来表示，波纹槽间距由Pc来表示，波纹槽的深度由Dc来表示。另外，波纹管的材料由铜、铜合金、铝、铝合金、铁、不锈钢、钛等传导热的金属材料构成，特别是，若是像铜或铜合金那样的热传导率良好的材料，则更为适合。

图2及图3是表示槽间距Pc与管内部的单相流流体的流动之间的关系的示意图。图2表示流速慢的(雷诺数Re小)情况，图3表示流速快的(雷诺数Re大)情况。需要说明的是，图2及图3是示意表示图1所示的波纹管的形状的图，实际上未形成这些图所示的方形的槽。如图3所示，在流速快的情况下流体间的剪切力大，如图3(a)所示，在槽间距Pc小的情况下，凹部4内的流体在凹部4内也充分地形成对流并扩散，从而与主流进行合流，因此导热效率高。另一方面，若波纹槽的间距Pc大，如图3(b)所示，来自主流的流体进入凹部4内，而在凹部4内流动，因此仅在凹部4的两角部发生对流扩散，从而不会在凹部4的整体发生流体的对流扩散，因此导热效率降低。

对此，在管内部的单相流流体的流速慢的情况下，如图2所示，管内的主流与凹部4内的副流(对流)之间的剪切力小。因此，如图2(a)所示，在波纹槽间距Pc较小的情况下，副流在凹部4内形成弱对流，该对流(副流)不与主流进行合流，而容易留在凹部4内。因此，在流速慢且波纹槽间距Pc小的情况下导热效率低。

另一方面，如图2(b)所示，即使在管内的单相流流体的流速小的情况下，当波纹槽间距Pc大时，凹部4内的流体与主流接触的部分的面积足够大，因此，即使由主流产生的剪切力小，由于在凹部4内对流后的流体与主流合流，因此导热效率高。

这样，本发明人等发现在低雷诺数的流速慢的情况下，波纹槽间距Pc较大一方的导热效率高，从而完成了本发明。而且，本发明通过后述记载证实了如下情况：单相流流体即使在低雷诺数且流速慢的条件下，通过将波纹槽间距Pc设置为15mm以上，也能够不促进紊流地提高导热效率。另外，在本发明中，由于紊流不会被促进，因此不会造成管内流体的压力损失增大而导致搬运动力增加这样的情况，从而不会在管内堆积水锈等堆积物，并且不会使管内堵塞。

接下来，对本发明的由波纹管构成的单相流用导热管的结构进行说明。

首先，例如，导热管的外径OD为6至20mm，内径ID为5至19mm。水及盐水等单相流流体在管内流动。另一方面，管外的热介质因使用本发明的导热管的领域不同而不同。在本发明的导热管的使用领域如热泵热水器那样为水－制冷剂换热器的情况下，自然制冷剂或氟利昂制冷剂在管外表面流动，在使用领域如燃气热水器那样为在水－水换热器中使用的二重管式换热器的情况下，水等单相流体也在管外流动。另外，在其他技术领域，例如，在太阳能热水器的太阳能面板的热水配管中使用本发明的导热管的情况下，辐射线等电磁波被管外表面吸收而产生的辐射热作用在导热管上。另外，在将本发明的导热管埋入地下而使得土壤与管外表面接触的水－土壤换热器的领域中使用导热管的情况下，在积蓄于土壤中的热量与管外表面之间产生换热。

这样，在这些管内的流体与管外的流体或物质之间进行换热。作为在这种用途中使用的单相流用导热管，其外径及内径例如处于所述范围内。另外，在本发明中，优选在管内流动的单相流流体的雷诺数Re为3000以下。优选在该管内流动的单相流流体的雷诺数Re为2000以下。本发明的导热管适合这种低雷诺数的流体。

波纹槽间距Pc为15～25mm。通过将波纹槽间距Pc设置在所述范围内，不会使在管内部流通的流体紊流化，而能够增大凹部4内的流体与管中心部的主流接触的面积。由此，在低雷诺数域，即使在管内流速慢且由主流引起的剪切力小的情况下，在凹部4间对流后的副流的流体也容易与主流合流，从而导热性能提高。若波纹槽间距Pc小于15mm，则凹部4内的流体与管中心部的主流接触的面积变小，在凹部4内对流后的流体不会与主流合流，而堆积在凹部4内，由此导热性能降低。另外，凹部4内的流体的紊流化被促进，压力损失增大。另一方面，若波纹槽间距Pc大于25mm，则凹部4内的流体与在管中心部流动的主流的接触面积变大，但是凹部4内的流体的对流变弱，因此导热性能降低。因此，将波纹槽间距Pc设置为15～25mm。

若将波纹槽的深度设置为Dc，则将Dc/ID设置为0.051～0.097。通过将Dc/ID设置在0.051～0.097的范围内，由此凹部4内的流体不会发生紊流化并且不会阻碍对流地与在管中心部流动的主流接触。通过将在该凹部4内对流的副流与主流接触，使得两者合流，从而导热性能提高。

在Dc/ID小于0.051的情况下，凹部4内的流体的对流受到阻碍，即使管中心部的主流与凹部4内的副流(对流)接触进行合流，也难以提高导热性能。另外，在Dc/ID大于0.097的情况下，凹部4内的流体的对流虽不易受到阻碍，但是槽深度Dc变得过深而促进了管中心部的主流流体的紊流化，从而压力损失增大。因此，将Dc/ID设置为0.051～0.097。

需要说明的是，波纹槽2由一根螺旋状的条形成。在该情况下，若管的外径OD、波纹槽的间距Pc、条数确定，则能够毫无异议地确定槽螺旋角。例如，该槽螺旋角为54°。另外，导热管1的壁厚δ例如为0.613mm。

需要说明的是，在本发明中，沿管轴方向观察时，在凹部4内能够形成与管轴平行的平坦部。由此，能够抑制在管内流动的单相流流体的紊流化，并且在凹部4内的流体与管中心部的主流接触的面处，在凹部4内对流的副流与主流变得更容易合流，从而导热性能提高。优选将该平坦部的管轴方向上的长度Lf设置为波纹槽的间距Pc的0.40至0.80倍。即，优选将Lf设置为0.40Pc至0.80Pc。

【实施例】

以下，为了证实本发明的效果，对落入本发明的范围内的实施例和脱离本发明的范围的比较例与进行说明。

首先，对单相流流体的导热性能的试验方法进行说明。图4是表示该试验装置的示意图。在本试验装置中，在加热侧及供给热水侧双方将水用作介质。在换热槽13内存积有加热水，该加热水从该加热水罐21经由配管22a而供给，并经由配管22b而返回加热水罐21。在换热槽13内水平地配置有导热管15，供给热水从供给热水水罐11经由配管12a而供给于该导热管15内，并在流通导热管15之后，经由配管12b而返回供给热水水罐11。加热水罐21的加热水的温度通过恒温循环装置24而控制在恒定温度(32℃、37℃或42℃)。而且，供给热水水罐11的供给热水的温度通过恒温循环装置18而恒定地控制在20℃。

供给热水经由混合器20a、20b而流入流出于导热管15，向该导热管15供给的供给热水的出入口温度能够在设置于该导热管的出入口处的混合器20a、20b处使用铂测温电阻器来测定。通过阀25对供给热水的流量进行阶段性调节，以使其成为恒定流量。而且，换热槽13内的导热管15的平均温度能够通过随着温度变化的电阻值的变化来测定。然后，将设置于该导热管15的出入口处的测压点的压力通过配管16而向差压变送器17引导，将差压变送器17切换成50kPa、10kPa、或1kPa进行测定。需要说明的是，换热槽13内通过搅拌器14来搅拌，供给热水水罐11内通过搅拌器19来搅拌，加热水罐21内通过搅拌器23搅拌，从而实现了水温的均匀化。

将供给热水流量设为W，将定压比热设为cp，将供给热水出口温度设为Tsout，将供给热水入口温度设为Tsin，而能够通过下述数式1求出冷却水的换热量Qs。另外，将热通量设为qi，将通过电压下降而求出的管平均温度设为Twi，将考虑到管的热传导进行修正的管内壁面温度设为Twm，将供给热水的出入口温度的算术平均温度设为Tsn，而能够通过下述数式2求出热传递系数αi。其中，qi、Twi、Tsn能够分别通过下述数式3、4、5求出。需要说明的是，L表示有效导热长度，di表示最大内径，do表示外径，λ表示铜的热传递率，δ表示壁厚。而且，管内努赛尔数Nui及雷诺数Re可以通过下述数式6及数式7求出。其中，ρ是供给热水的密度，vi是供给热水的流速，μ是供给热水的粘性。而且，将ΔP设为压力损失，将x设为试验区间的长度，摩擦系数fi可以通过下述数式8来求出。

【数1】

Qs＝W·cp·(Tsout-Tsin)

【数2】

αi＝qi/(Twi-Tsm)

【数3】

qi＝Qs/(π·di·L)

【数4】

Twi＝Twm-Ln{(do-δ)/di}/(2π·λ·L)

【数5】

Tsm＝(Tsin+Tsout)/2

【数6】

Nui＝αi·di/λ

【数7】

Rei＝ρ·vi·di/μ

【数8】

fi＝ΔP(di/z){1/(2ρ·vi²)}

作为本发明的第一实施例，对因导热管的形状尺寸不同造成的压力损失及热传递系数的影响进行说明。各试验导热管的形状尺寸如下述表1所示。

【表1】

	ST	HT	CT1	CT2	CT3	CT4	CT5	CT6	CT7
										外径OD	12.7	12.7	12.45	12.77	12.98	12.53	12.79	12.76	12.78
内径ID	10.92	11.02	11.26	11.57	11.74	11.32	11.56	11.52	11.56
										壁厚δ	0.89	0.84	0.60	0.60	0.62	0.61	0.61	0.62	0.61
翅片高度	-	0.5	-	-	-	-	-	-	-
										翅片顶角	-	22	-	-	-	-	-	-	-
导程角	-	30	82.8	76.4	75.1	79.4	54.3	77.0	54.3
										条数	-	16	1	1	1	1	1	1	1
波纹槽间距Pc	-	-	4.05	8.04	8.11	5.60	21.70	7.96	21.65
										波纹槽深度Dc	-	-	0.55	0.50	1.00	0.92	0.98	0.27	0.55
Dc/ID	-	-	0.049	0.044	0.085	0.082	0.085	0.024	0.048

在所述表1中，ST为平滑管，HT为带有内表面槽的管，CT1～CT7为波纹管。而且，CT5为波纹槽间距Pc及波纹槽深度与内径之比Dc/ID满足本申请技术方案2的范围的实施例。CT7为波纹槽间距Pc满足本申请技术方案1的范围、但波纹槽深度与内径之比Dc/ID脱离本申请技术方案3的范围的实施例。CT1～CT4、CT6为脱离本发明的技术方案1的范围的比较例。

图7表示这些导热管的压力损失，图8表示热传递系数。图7表示仅低雷诺数区域的压力损失。平滑管(ST)呈现压力损失低且热传递率低的趋势。对本发明的实施例的波纹管CT7与同等程度的槽深度Dc的比较例的CT1及CT2进行比较，实施例管CT7与比较例管CT1及CT2相比压力损失低，低雷诺数区域内的热传递率与比较例管CT3及CT4的热传递率相比更高。

此外，对本发明的实施例的波纹管CT5与同等程度的槽深度Dc的比较例管CT3及CT4进行比较。如图8所示，首先，实施例管CT5与比较例管CT4相比，在雷诺数为3000以下的区域，热传递率为同等程度或更高，压力损失在整个雷诺数域较低。另外，对实施例管CT5与比较例管CT3进行比较，可以发现在雷诺数为1000～1500的范围内呈现实施例管CT5的压力损失略高于比较例管CT3的趋势，但是在雷诺数为2000以下的区域，实施例管CT5的热传递率高于比较例管CT3。

如此，在3000以下的低雷诺数域，可以得到本发明的实施例CT7的压力损失低且热传递系数高的结果。此外，可以得到本发明的实施例CT5也是压力损失低且热传递系数更高的结果。

接下来，作为本发明的第二实施例，对因波纹槽间距Pc不同造成的摩擦系数及热传递系数的影响进行说明。图5(a)、(b)是表示摩擦系数fi及管内努赛尔数Nui(热传递系数)与波纹槽间距Pc之间的关系的坐标图。波纹槽间距Pc为27.1mm、25.1mm、21.7mm、17.0mm、15.1mm、13.5mm、8.1mm、5.6mm。管外径为12.7mm，管内雷诺数Re为1000，Dc/ID为0.085且恒定。如该图5(a)所示，在波纹槽间距Pc为15～25mm的范围内，摩擦系数fi成为恒定值。而且，在该范围内，如图5(b)所示，热传递系数(管内努赛尔数)达到最高值。然而，在波纹槽间距Pc不足15mm的情况下，摩擦系数上升，而热传递系数大幅度降低。如此，在波纹槽间距Pc为15～25mm的范围内，热传递系数高。

接下来，作为本发明的第三实施例，对因波纹槽深度Dc不同造成的摩擦系数及热传递系数的影响进行说明。图6(a)、(b)是表示摩擦系数fi及管内努赛尔数Nui(热传递系数)与Dc/ID之间的关系的坐标图。Dc/ID为0.101、0.097、0.085、0.072、0.051、0.045、0.035。管外径为12.7mm，管内雷诺数Re为1000，波纹槽间距Pc为25mm且恒定。如该图6(a)所示，Dc/ID处于0.051～0.097的范围内，摩擦系数高且恒定，当Dc/ID小于0.051时，摩擦系数变小。而且，在该范围内，如图6(b)所示，热传递系数(管内努赛尔数)高且恒定。在Dc/ID超过0.097的情况下，热传递系数略微变大，但摩擦系数变得过大，从而压力损失变大。

以上，对本发明的适宜的实施方式及实施例进行了说明，然而本发明并不限定于所述实施方式及实施例，在能够满足本发明的主旨的范围内也能够进行各种变更和改动，这些变更和改动均包含在本发明的技术范围内。

本申请基于日本专利申请2013－177986而要求优先权，通过参照将其公开内容整体编入本说明中。

工业实用性

本发明作为用于供低雷诺数的流体流动的导热管，在该低雷诺数的范围内压力损失低并且热传递系数高，因此是极其有益的。

Claims (8)

1.一种管内单相流用导热管，其由在管外表面呈螺旋状地形成有槽的波纹管构成，

单相流流体在管内流动，在该单相流流体和管外的流体、物质或辐射热之间进行换热，其中，

管外径为6～20mm，管内径为5～19mm，

所述槽的管轴方向上的间距为15～25mm，

其中，所述管外径为OD，所述管内径为ID，所述间距为Pc。

2.根据权利要求1所述的管内单相流用导热管，其中，

所述波纹管的材质由铜或铜合金构成。

3.根据权利要求1所述的管内单相流用导热管，其中，

在将所述波纹管的槽的深度设为Dc时，Dc/ID为0.051～0.097。

4.根据权利要求2所述的管内单相流用导热管，其中，

在将所述波纹管的槽的深度设为Dc时，Dc/ID为0.051～0.097。

5.根据权利要求1所述的管内单相流用导热管，其中，

所述单相流流体的雷诺数Re为3000以下。

6.根据权利要求2所述的管内单相流用导热管，其中，

所述单相流流体的雷诺数Re为3000以下。

7.根据权利要求3所述的管内单相流用导热管，其中，

所述单相流流体的雷诺数Re为3000以下。

8.根据权利要求4所述的管内单相流用导热管，其中，

所述单相流流体的雷诺数Re为3000以下。