CN104596343A - 一种换热翅片及换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种换热翅片及换热器，涉及换热装置技术领域，可提高换热性能。所述换热翅片包括基片和所述基片上的多个管孔，所述管孔的周围形成有套环，换热器的换热管可穿设于所述套环和所述管孔内，所述基片上形成有第一凸起，所述第一凸起呈环形，并环绕所述套环设置，所述第一凸起内径大于和所述套环的外径。本发明提供的换热翅片用于换热器。

Description

一种换热翅片及换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种换热翅片及换热器。

背景技术

换热器是一种用于加热和制冷循环的设备，它可以通过换热使其内的介质的达到所需的温度。目前，换热器广泛地应用于空调机、热泵以及冰箱等产品中，其中，空调或热泵的蒸发器、冷凝器和中间冷却器等换热设备中通常采用管翅式换热器，管翅式换热器一般包括多个换热翅片和多个换热管，换热翅片上开设有多个管孔，换热管穿设于管孔内，换热介质在换热管内流动，空气在管外流动，通过管壁和换热翅片在换热介质和空气间进行热传导，实现换热，换热翅片的作用是增大换热面积。

现有技术中的换热翅片的表面通常较为平直，换热时，沿着空气流动的方向，会在换热翅片表面形成空气边界层，且随着空气的流动，该边界层会逐渐增厚，使得换热翅片表面难以与流动的空气充分接触，从而使换热性能下降。目前，为了提高换热性能，一般采用增大换热翅片的面积，以使换热面积增大，提高换热性能，或者通过在换热翅片上开缝，破坏空气边界层，从而提高化热性能，但增大换热翅片的面积会增大化热器的体积，使产品的体积增加，且成本较高，而对换热翅片开缝的工艺复杂且会产生较大阻力，且当换热器在湿工况下运行时，由于水的表面张力，容易在开缝处形成水桥，不利于换热，且易于结霜。

发明内容

本发明的实施例提供一种换热翅片及换热器，可提高换热性能。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种换热翅片，包括基片和所述基片上的多个管孔，所述管孔的周围形成有套环，换热器的换热管可穿设于所述套环和所述管孔内，所述基片上形成有第一凸起，所述第一凸起呈环形，并环绕所述套环设置，所述第一凸起内径大于和所述套环的外径。

一种换热器，包括换热管和上述换热翅片，所述换热管穿设于所述管孔和所述套环内。

本发明提供的换热翅片及换热器，在所述基片上的管孔周围形成有所述套环，并环绕所述套环成有环形的第一凸起，在进行换热时，换热器的换热管穿设于所述套环和所述管孔内，所述套环和所述第一凸起可在不增大基片的情况下，使换热翅片的换热面积增大，从而提升换热性能，且所述套环和所述第一凸起对流动的空气切割，从空气具有扰动作用，从而破坏空气的边界层，防止在基片表面形成空气边界层的厚度过大，有利于提高换热性能，同时，由于所述第一凸起内径大于和所述套环的外径，使得所述第一凸起和所述套环间形成有环形的间隙，当气流进入所述第一凸起和所述套环间的间隙时，所述环形的间隙可引导气流从套环的迎风侧向背风侧流动，从而扩大了套环与所述空气的接触面积，使换热性能得以提升。由此，可提高换热性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明换热翅片的示意图；

图2为图1的A-A截面图；

图3为图1中B部的局部放大图；

图4为图1的C-C截面图；

图5为多排本发明换热翅片的组合的示意图；

图6为CFD换热翅片通道的计算区域的示意图；

图7为本发明换热翅片与平面翅片、开缝翅片的换热系数比较图；

图8为本发明换热翅片与平面翅片、开缝翅片的压降比较图；

图9为本发明换热翅片与平面翅片、开缝翅片的综合性能比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1～图4，图1为本发明提供的换热翅片的一个具体实施例，所述换热翅片包括基片1，基片1上开设有多个管孔11，管孔11的周围形成有套环2，换热器的换热管(图中未示出)可穿设于套环2和管孔11内，基片1上形成有第一凸起3，第一凸起3呈环形，并环绕套环2设置，并可使第一凸起3、套环2和管孔11同轴心设置，第一凸起3内径大于和套环2的外径，第一凸起3的顶部高于套环2的顶部，图1中空心箭头表示气流方向。

本发明提供的换热翅片，在基片1上的管孔11周围形成有套环2，并环绕套环2成有环形的第一凸起3，在进行换热时，换热器的换热管穿设于套环1和管孔11内，套环2和第一凸起3可在不增大基片1的情况下，使换热翅片的换热面积增大，从而提升换热性能，且套环2和第一凸起3对流动的空气切割，对空气具有扰动作用，从而破坏空气边界层，防止在基片1表面形成空气边界层的厚度过大，有利于提高换热性能，同时，由于第一凸起3内径大于和套环2的外径，使得第一凸起3和套环2间形成有环形的间隙，当气流进入第一凸起3和套环2间的间隙时，所述环形的间隙可引导气流从套环2的迎风侧向背风侧流动，从而扩大了套环2与所述空气的接触面积，使换热性能得以提升。由此，本实施例提供的换热翅片可提高换热性能。

为了进一步提高换热性能，可在相邻两第一凸起3间的基片1上形成有第二凸起4，且第二凸起4与第一凸起间2具有间隙5，通过第二凸起4而进一步对气流进行扰动更好的破坏空气边界层，并且进一步增大了散热面积，从而使换热性能进一步提高。

具体地，可在相邻两第一凸起3间的基片1上形成多个第二凸起4，但由于基片1上的相邻两第一凸起3间的空间有限，第二凸起4的数量不宜过多，因此，可在相邻两第一凸起3间的基片1上形成两个第二凸起4，且两个第二凸起4对称分布于相邻两套环2的中心连线的两侧，从而使相邻两套环2的中心连线的两侧所承受的风阻对称。

参照图3和图4，第二凸起4有多种结构，其垂直于相邻两套环2的中心连线的方向上，第二凸起4的截面可为波纹形、梯形和矩形等，但若第二凸起4具有较多棱角，则可能导致风阻过大，不利于空气流动，因此，第二凸起4的表面应为光滑的表面，具体地，垂直于相邻两套环2的中心连线的方向上，第二凸起4的截面的形状优选波纹形，避免了风阻过大，并波纹形的表面进一步增强对气流的扰动，更好的破坏空气边界层，提高换热性能，在湿工况下工作时，水滴可在重力的作用下，沿第二凸起4流动，避免了水桥的形成，从而可防止结霜。

第一凸起3的高度H可为0.2mm-1.2mm，第一凸起3底部的内径R1可为9mm-24mm，第一凸起3底部的外径R2可为12mm-28mm，第一凸起3的底部的厚度S为2mm-5mm，具体地，可使R1＝6.59mm；R2＝8.92mm；S＝2.33mm。

为了进一步防止风阻过大，第一凸起3的表面可为光滑曲面，具体地，第一凸起3的表面的横断面可为弧形，且所述弧形的半径R3为1mm-3mm，具体地，可使所述弧形的半径R3＝1.607mm。

具体地，第二凸起4的波峰的高度h2为0.2mm-1.2mm，第二凸起4的底部与基片1边缘的最短距离Y1为0.5mm-1.2mm，第二凸起4的波峰与基片1边缘的距离Y2为1.5mm-4mm，在垂直于相邻两套环2的中心连线的方向上，第二凸起4的底部的长度Y3为2.7mm-5.7mm，具体地，可使h2＝0.6mm；Y1＝0.6mm；Y2＝2mm；Y3＝3.4mm。

第二凸起4的底部靠近基片1边缘的侧边的长度X1可为9mm-16mm，第二凸起4的底部远离基片1边缘的侧边的长度X2可为7mm-14mm，第二凸起4的波峰的宽度X3可为8mm-9mm，具体地可使X1＝11mm；X2＝8.6mm；X3＝7mm。

参照图2，套环2包括主体21，主体21的底部形成有台阶22，台阶22设于基片1上，且台阶22为环形，主体21的顶部设有翻边23，翻边23和主体21通过第一过渡面过渡，台阶22和主体21通过第二过渡面过渡，第一过渡面和第二过渡面均为弧面，且第一过渡面的半径R4为0.3mm-0.6mm，第二过渡面R5为0.2mm-0.5mm，台阶22的内径D2为4.5mm-13.5mm，台阶22相对于基片1的高度H1为0.1mm-0.5mm；翻边22的高度H为1.0mm-3.0mm；主体21的内径D1为3.5mm-12.5mm；相邻套环2的中心距Pt为10mm-30mm。

具体地，R4＝0.5mm；R5＝0.3mm；D2＝9.72mm；H1＝0.2mm，Pt＝22mm，H＝2mm，D1＝8.24mm。

基片1可采用铝箔，且铝箔厚度T为0.05mm-0.2mm，具体地，T＝0.105mm。

一种换热器，包括换热管和上述任一实施例所述的换热翅片，所述换热管穿设于管孔11和套环2内。

参照图5，在所述换热器中，可采用多排上述实施例中的换热翅片，或者也可采用上述实施例中的换热翅片与其他形式的换热翅片相结合组成组合型换热翅片。

为了验证本发明实施例中的换热器的效果，可通过CFD软件计算分析本发明的方案，并与采用平面翅片和开缝翅片的换热器进行对比，本发明实施例提供的换热器采用管径为8.3mm的换热管，具体过程如下：

(1)几何模型：

为了便于描述翅片通道计算区域，以平面翅片的化热器为例进行说明，如图6所示，图1中空心箭头表示气流方向，沿换热管7轴线方向(y方向)取一个换热翅片6间距的距离，换热翅片6位于所述计算区域(即图6中虚线所示的区域)中间，所述计算区域位于换热翅片间的两边为周期边界，所述计算区域从换热翅片6的通道入口61向上游延长了1倍翅片宽度Pw，从通道出口62向下游延长了5倍翅片宽度Pw，以保证通道出口62无回流。

(2)控制方程及边界条件

对换热器的边界条件进行如下设定：换热器在风速0.5-2.5m/s下的制冷工况下进行换热；在空气进口，速度入口边界，入口风速为定值，入口温度设为35℃，水力直径1.4mm，湍流强度为7.886％；换热管的管内壁面为速度无滑移壁面，温度为48℃；换热翅片的壁面为耦合壁面；空气出口采用局部单向化条件；换热翅片沿换热管方向呈周期性布置；换热翅片结构对称。

由于本实施例的换热管5的管径为8.3mm，管径尺寸相对较大，翅片通道中的流动为圆柱绕流，根据已有文献记载，流动为低雷诺数湍流状态，控制方程如下：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρw}\right)}{\∂z}=0$

动量方程如下：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvu}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwu}\right)}{\∂z}=-\frac{\∂p}{\∂x}+\mathrm{\η}(\frac{{\∂}^{2}u}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}u}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}u}{\∂z^2})$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuv}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwv}\right)}{\∂z}=-\frac{\∂p}{\∂y}+\mathrm{\η}(\frac{{\∂}^{2}v}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}v}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}v}{\∂z^2})$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuw}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvw}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρww}\right)}{\∂z}=-\frac{\∂p}{\∂z}+\mathrm{\η}(\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}w}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}w}{\∂z^2})$

能量方程如下：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\ρuT}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\ρvT}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\ρwT}\right)=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{c_P}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{c_P}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{c_P}\frac{\∂T}{\∂z}\right)$

湍流k-ε方程如下：

$\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρk}{u}_i\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\α}}_k{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\frac{\∂k}{\∂x_j}\right)+{\mathrm{\μ}}_t{S}^2-\mathrm{\ρ\ϵ}$

$\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}{\mathrm{\μ}}_i\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right)+C_{1\mathrm{\ϵ}}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}{\mathrm{\μ}}_t{S}^2-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}-R_{\mathrm{\ϵ}}$

其中的经验参数如下：

C_μ＝0.0845，α_k＝α_ε＝1.393，η₀＝4.38，β＝0.012，C_1ε＝1.42，C_2ε＝1.68

固体区域(包括换热翅片)控制方程：

$\frac{\∂}{\∂x_i}\left({\mathrm{\λ}}_f\frac{\∂T}{\∂x_i}\right)=0$

上述公式中：ρ代表密度，u、v、w分别代表x、y、z方向的速度分量，P代表动压强，η代表效率，T代表温度，λ代表导热系数，Cp代表定压比热容，k代表湍动能，ε代表湍流耗散率，μ为湍流黏性系数，S代表变形张量，R代表半径。

(3)计算方法

借助Fluent软件进行数值模拟，计算中采用有限容积法对控制方程进行离散，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，对流项和扩散项均采用一阶迎风格式进行离散。

(4)数据处理

在换热翅片通道的数据分析中，采用换热翅片间距作为特征长度，其雷诺数定义如下：

${\mathrm{Re}}_{D_c}=\frac{\mathrm{\ρu}{F}_p}{\mathrm{\μ}};$

$j=\frac{\mathrm{Nu}}{\mathrm{ReP}{r}^{1/3}}=\frac{h}{\mathrm{\ρu}{c}_p}P{r}^{2/3};$

$f=\frac{\mathrm{\Δp}}{\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{u}^2}\·\frac{F_p}{L}$

上述公式中：F_p为翅片间距，单位为m；u为通道进口流速，单位为m/s；h为翅片换热系数，单位为W/(m²×K)；Δp为通道进出口压差，单位为Pa；ρ为空气密度，单位为kg/m³；μ为空气动力粘性系数，单位为kg/(m×s)；c_p为空气定压比热，单位为J/(kg×K)；Pr为普朗特数。

结果：

1、在相同风速下本发明实施例的换热翅片相对于平面翅片的表面温度更低，温度分布更均匀，管后尾流区的换热有了明显增强，相对于开缝翅片，温度分布更均匀，温度协同性更好。

2、本发明实施例的换热翅片相较于平面翅片，大大减少了管后的漩涡区域，推迟了流体在圆管表面的分离，达到了与开缝翅片相近的强化效果。

3、图7是本发明实施例的换热翅片与平面翅片、开缝翅片的换热系数比较图，横坐标是风速u，纵坐标是翅片换热系数h。由此可以看出在同风速下本发明实施例的换热翅片的换热系数较平面翅片有了较大的提高，提高约30％，较开缝翅片低约5％。

4、图8是本发明实施例的换热翅片与平面翅片、开缝翅片的压降比较图，横坐标是风速u，纵坐标是压降ΔP。由此可以看出本发明实施例的换热翅片的风阻压降较平面翅片约提高了8％，较平面翅片压降虽有增加，但较开缝翅片风阻减少约20％，风阻大大降低。

5、图9是本发明实施例的换热翅片与平面翅片、开缝翅片的综合性能比较图，横坐标是Re数(雷诺数)，纵坐标是综合换热j/f因子。从图中可以看出本发明实施例的换热翅片的换热增加大于风阻压降增加，综合性能j/f比平面翅片增加了约10％，较开缝翅片增加约2％，这表明本发明实施例的换热翅片相对平面翅片、开缝翅片的换热优越性。

综上，本发明提供的换热翅片可提高换热性能，并减小风阻。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种换热翅片，其特征在于，包括基片和所述基片上的多个管孔，所述管孔的周围形成有套环，换热器的换热管可穿设于所述套环和所述管孔内，所述基片上形成有第一凸起，所述第一凸起呈环形，并环绕所述套环设置，所述第一凸起内径大于和所述套环的外径。

2.根据权利要求1所述的换热翅片，其特征在于，相邻两所述第一凸起间的所述基片上形成有第二凸起，且所述第二凸起与所述第一凸起间具有间隙。

3.根据权利要求2所述的换热翅片，其特征在于，相邻两所述第一凸起间的所述基片上形成有两个所述第二凸起，且所述两个第二凸起对称分布于相邻两所述套环的中心连线的两侧。

4.根据权利要求2所述的换热翅片，其特征在于，在垂直于相邻两所述套环的中心连线的方向上，所述第二凸起的截面为波纹状。

5.根据权利要求1所述的换热翅片，其特征在于，所述第一凸起的高度为0.2mm-1.2mm，所述第一凸起的底部的内径为9mm-24mm，所述第一凸起的底部的外径为12mm-28mm，所述第一凸起的底部的厚度为2mm-5mm。

6.根据权利要求3所述的换热翅片，其特征在于，所述第一凸起的横断面为弧形，且所述弧形的半径为1mm-3mm。

7.根据权利要求4所述的换热翅片，其特征在于，所述第二凸起的波峰的高度为0.2mm-1.2mm，所述第二凸起的底部与所述基片边缘的最短距离为0.5mm-1.2mm，所述第二凸起的波峰与所述基片边缘的距离为1.5mm-4mm，在垂直于相邻两所述套环的中心连线的方向上，所述第一凸起的底部的长度为2.7mm-5.7mm。

8.根据权利要求4所述的换热翅片，其特征在于，所述第二凸起的底部靠近所述基片边缘的侧边的长度为9mm-16mm，所述第二凸起的底部远离所述基片边缘的侧边长度为7mm-14mm，所述第二凸起的波峰的宽度为8mm-9mm。

9.根据权利要求1所述的换热翅片，其特征在于，所述套环包括主体，所述主体的底部形成有台阶，所述主体的顶部设有翻边，所述台阶设于所述基片上，且所述台阶为环形。

10.一种换热器，其特征在于，包括换热管和权利要求1～9任一项所述的换热翅片，所述换热管穿设于所述管孔和所述套环内。