CN105026869A - 用于热交换器的管道结构 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器包括：多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。所述管道的单位长度的管道内表面积乘以所述外径与管壁厚度的比率等于或大于约30.0。

Description

用于热交换器的管道结构
技术背景
本文所公开的主题涉及热交换器。更具体来说，本发明涉及用于热交换器的改进的管道结构。
一种经简化的典型蒸汽压缩制冷循环包括蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀装置。制冷剂流就是穿过吸入管线到压缩机的低压制冷剂蒸汽。压缩的制冷剂蒸汽泵送到连接至冷凝器的排放管线。液体管线接收从冷凝器离开的液态制冷剂，并将其引导至膨胀装置。将两相制冷剂返回至蒸发器，由此完成循环。
蒸汽压缩循环中的主要部件中的两个是蒸发器和冷凝器热交换器。最常使用的热交换器类型是圆管板翅(RTPF)构造类型。过去，在这种热交换器中，管道由铜制成，而翅片则通常由铝制成。热交换器的热性能(即，将热量从一个介质传递至另一介质的能力)与其热阻总和成反比例。对于使用管道内制冷剂和在外部翅片侧上的空气的典型暖通空调以及制冷(HVAC&R)应用，空气侧热阻占50％至70％，，而制冷剂侧热阻为20％至40％，并且金属电阻相对小且仅占6％至10％。由于对将HVAC&R装置制造成更紧凑且更具有成本效益的持续市场压力和规章要求，已付出了大量努力来致力于改进制冷剂侧以及空气侧的热交换器性能。
RTPF热交换器中使用的内部增强圆管允许通过改进制冷剂侧传热来使热交换器的热性能显著增强。这些管道通常通过挤出或拉制工艺来制造，并且机械地膨胀到翅片组中，以确保管道与翅片之间良好的金属间接触。对于Cu合金而言，内部开槽(IG)管道技术是成熟的，从而允许通过拉制工艺来制造出螺旋形增强部轮廓，并且允许在不显著损坏管道内增强部的情况下膨胀。近年，HVAC&R工业开始从Cu向Al转移，这主要是出于成本原因。Al合金具有固有地不同的机械特性，并且通常通过挤出制造工艺而生产的Al IG管道具有轴向的增强部，所述轴向的增强部不如螺旋配置那样先进，促使管道的整个内周边被液态制冷剂以及处于制冷剂质量流量的扩展范围下的更有效的环形制冷剂流弄湿。因此，用于Al管道的内增强部要求更高的次级至初级传热表面比率以及更紧凑的内部增强带翅片的表面，所述带翅片的表面连同更软Al材料一起对膨胀工艺形成重大挑战。
发明概述
在一个实施例中，一种热交换器包括：多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。管道内表面积增强比率乘以所述管道外径与管壁厚度的比率等于或大于约30.0。
在另一实施例中，一种热交换器包括：多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。限定于管道内表面增强部之间的单位长度的内部自由容积除以所述管道外径的平方值等于或大于0.040。
在又一实施例中，一种热交换器包括：多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。所述管道外径与所述管道内径的比率小于或等于约1.185。
在另一实施例中，一种热交换器包括：多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。每个凸脊顶部宽度与所述管道内径的比率乘以所述多个凸脊中的凸脊数量等于或大于约1.60。
在又一实施例中，一种热交换器包括：多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。凸脊横截面积与内径的平方值的比率等于或大于约0.0014，并且凸脊高度与内径的比率等于或大于约0.045。
结合附图，将从以下描述更为清楚这些和其它优点及特征。
附图简述
在本说明书结论处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被视为是本发明的主题。结合附图，将从以下详细描述清楚本发明的前述和其它特征及优点，在附图中：
图1是热交换器的实施例的示意图；
图2是热交换器管道的实施例的局部横截面图；
图3是热交换器管道的实施例的透视图；以及
图4是热交换器管道的另一实施例的局部横截面图。
具体实施方式参考附图通过实例来解释本发明的实施例及优点和特征。
具体实施方式
图1中示出了圆管板翅(RTPF)热交换器10的实施例，诸如用作为蒸发器或冷凝器的那种。RTPF热交换器10包括多根管道12以及多个翅片14。所述多根管道12运送流体，例如制冷剂。热能在流体与穿过多个翅片14的空气之间进行交换。在一些实施例中，管道12可以由铝或铝合金通过例如挤出或拉制工艺来形成，而其它实施例中，管道12可由其它材料(例如铜、Cu-Ni、钢或塑料)形成。在制造热交换器10时，管道12插入到翅片14中的开口16中，并且通过例如被插入到管道12内部的一个或多个插塞(bullet)进行机械膨胀。管道12的膨胀确保管道12对翅片14的充分接触用于传热目的，并且还将管道12相对于翅片14固定于热交换器10中的预先确定位置。
图2示出热交换器10的管道12的局部横截面图。管道12包括延伸到管道12的内部20中的多个增强部或凸脊18。如图3所示，管道12具有外径22和内径24，其中凸脊18(也称为管道内翅片或增强部)从内径24向内延伸到管道12的内部20中。凸脊18沿管道12的长度26延伸。在一些实施例中，凸脊18大致轴向延伸，而其它实施例中，凸脊18以相对于管道轴线28的螺旋角度30沿管道12成螺旋地延伸。另外，凸脊18具有在凸脊18的基部38处的基部宽度32、在尖端40或者说是凸脊18的最径向向内的部分处的顶部宽度34、以及在相邻凸脊18的基部间隔于相邻凸脊18之间的沟槽宽度36。另外，每个凸脊18从基部38向尖端40延伸，从而限定凸脊高度42，并且每个凸脊18的侧部44可汇聚成凸脊角度46，即所谓的凸脊18顶角。参考图4，应当了解，在一些实施例中，每个凸脊18包括介于尖端40与侧部44之间的顶部圆角52。在这些实施例中，顶部宽度34在本文中限定为沿尖端40到尖端40与侧部44之间的理论相交部分的距离。类似地，在一些实施例中，基部圆角54可以将侧部44与沟槽56连接起来。基部宽度32和沟槽宽度36是使用侧部44与沟槽56之间的理论交点类似地限定的。应当了解，虽然本文中描述了具有内径和外径的圆管，但也可将本发明应用于具有非圆横截面的管道12。
本文所描述的管道12和凸脊18的具体特征都与管道12的膨胀后状态、或管道12和凸脊18在管道12已膨胀而将管道12固定至翅片14之后的尺寸和特征有关。
膨胀的管道12的实施例具有内表面积或单位长度的内表面积，其限定为：
(1)A＝N*[2h/cos(α/2)+a+c]
其中A＝单位长度的表面积
N＝管道中的凸脊数量
h＝凸脊高度42
α＝凸脊角度46
a＝凸脊顶部宽度34以及
c＝沟槽宽度36。
未增强的管道12具有单位长度内表面积A。当A除以ID时，其结果即表面增强比率ζ。在管道12设计的实施例中，ζ与管道壁厚48与外径22的比率有关，其表达为：
(2)ζ≥30.0*(Tw/OD)
其中Tw＝壁厚48以及
OD＝外径22。
在膨胀后状态下满足这个要求的管道12实现管道12对翅片14的充分干涉，以实现热性能并将管道12固定至翅片14上，同时确保由于管道12的内表面(诸如沟槽36和凸脊18结构)形变而造成的热性能退化最小。
带凸脊的区域或介于凸脊18之间的单独区域内的液体层分布和容纳与这个区域的大小直接有关，并对管道12内的单相或两相制冷剂流的传热系数或热阻有直接影响。管道12的单位长度的内部自由容积S或者说是限定于凸脊18之间的内部20的部分可表达为：
(3)S＝N*h2*(c/h+tan(α/2))
针对轴向增强管道而言。
另外，对于具有期望内部传热系数或热阻的管道12，则要求在膨胀后状态下，S与外径22的平方值的比率大于或等于4％，或者说是：
(4)S/(OD)2≥0.040
另外，管道12的适当机械膨胀以及管道12对翅片14的干涉或接触对于总体热交换器10性能是关键的。接触热阻限定管道12适当地膨胀到翅片套环50(图1中所示)上的程度。不充分的膨胀将会导致不良接触，而过度膨胀将造成管道过度收缩并可导致外部翅片套环50开裂，从而将会减少管道12与翅片14之间用于传热的接触表面面积。内径24的改变与管道内部表面形变直接有关。因此，膨胀工艺应控制成使得管道12内部表面形变减少并且管道12对翅片14的适当接触得以维持。这种优化工艺将会产生小于或等于1.185的外径22与直径24的膨胀后比，或者说是
(5)OD/ID≤1.185。
可供用于与管道12的内部20中使用的膨胀插塞(未示出)接触的表面面积的量对于确定施加至膨胀插塞以实现管道12的必要膨胀所要求的轴向力而言是关键的。期望可能以最小力来实现膨胀以防止凸脊18过度形变、管道12的内部表面和特征屈曲和/或擦伤，因此期望具有与内径24相比较更宽的凸脊18，使得仅仅要求较低的轴向膨胀力来实现管道12的期望的均匀径向膨胀。因此，期望凸脊顶部宽度34与内径24的比率乘以凸脊18数量大于或等于1.60，或者说是
(6)a*N/ID≥1.60。
凸脊角度46是确定表面增强比率ζ、凸脊18间包含的自由容积S以及管道12重量的关键。表面增强比率ζ以及自由容积S影响管道12的热性能，而管道重量会影响管道12成本。凸脊角度46必须设计成在给定这些竞争约束的情况下产生最佳结果，并且限定凸脊18横截面积。凸脊18大小与内径24的期望比率表达如下：
(7)[(a+b)*h*0.5/(ID)2]≥0.0014并且
(8)h/ID≥0.045。
在管道12的一个实施例中，外径22为约7mm，且内径24为5.8mm，由此壁厚48为约0.6mm。管道12具有50个凸脊18，每个凸脊18具有约0.32mm的凸脊高度42、约0.212mm的基部宽度32以及约0.185mm的顶部宽度34。凸脊角度46为约4.8度。
在此实施例中，利用等式(2)，要求ζ*(OD/Tw)≥30.0，结果是33.4。要求S/(OD)2大于或等于0.040的情况下，等式(4)产生结果0.047。要求OD/ID≤1.185的情况下，等式(5)产生结果1.181。增强部顶部宽度34与内径24的比率乘以凸脊数量(等式(6)要求所述比率大于或等于1.60)得出结果1.655。分别与大于或等于0.0014和大于或等于0.045相比，等式(7)和(8)各自产生结果0.0016和0.046。
虽然仅仅结合有限数量的实施例来详细描述本发明，但应容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可修改成并入有此前未描述但符合本发明的精神和范围的任何数量的变化、更改、替换或等效布置。另外，虽然已对本发明的各实施例进行描述，但应理解，本发明的方面可仅包括所描述的实施例的一些。因此，本发明不应被视为受到先前描述限制，而仅受到随附权利要求书的范围限制。

Claims (23)

1.一种热交换器，所述热交换器包括：
多个翅片；
供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合，所述多根管道中的至少一根管道包括：
外径；
内径；以及
多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中；
其中所述管道的单位长度的管道内表面积乘以所述外径与介于所述外径与所述内径之间的管壁厚度的比率等于或大于约30.0。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中所述多个凸脊沿所述管道的长度大致轴向延伸。
3.如权利要求1所述的热交换器，其中所述多个凸脊沿所述管道的长度成螺旋地延伸。
4.如权利要求1所述的热交换器，其中所述管道的单位长度的所述管道内表面积乘以所述外径与介于所述外径与所述内径之间的所述管壁厚度的所述比率是等于约33.4。
5.如权利要求1所述的热交换器，其中所述管道的限定于所述凸脊之间的单位长度的内部自由容积除以所述外径的平方值等于或大于0.040。
6.如权利要求5所述的热交换器，其中凸脊横截面积与内径的平方值的比率等于或大于约0.0014。
7.如权利要求5所述的热交换器，其中所述管道的单位长度的内部自由容积除以所述外径的平方值为约0.047。
8.如权利要求1所述的热交换器，其中所述外径与所述内径的比率小于或等于约1.185。
9.如权利要求1所述的热交换器，其中每个凸脊顶部宽度与所述内径的比率乘以凸脊数量等于或大于约1.60。
10.如权利要求1所述的热交换器，其中：
凸脊横截面积与内径的平方值的比率等于或大于约0.0014；以及
凸脊高度与内径的比率等于或大于约0.045。
11.如权利要求1所述的热交换器，其中所述多根管道由铝或铝合金形成。
12.一种热交换器，所述热交换器包括：
多个翅片；
供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合，所述多根管道中的至少一根管道包括：
外径；
内径；以及
多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中；
其中所述管道的限定于所述凸脊之间的单位长度的内部自由容积除以所述外径的平方值等于或大于0.040。
13.如权利要求12所述的热交换器，其中所述管道的限定于所述凸脊之间的单位长度的内部自由容积除以所述外径的平方值为约0.047。
14.如权利要求12所述的热交换器，其中所述外径与所述内径的比率小于或等于约1.185。
15.如权利要求12所述的热交换器，其中每个凸脊顶部宽度与所述内径的比率乘以所述多个凸脊中的凸脊数量等于或大于约1.60。
16.如权利要求12所述的热交换器，其中：
凸脊横截面积与内径的平方值的比率等于或大于约0.0014；以及
凸脊高度与内径的比率等于或大于约0.045。
17.一种热交换器，所述热交换器包括：
多个翅片；
供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合，所述多根管道中的至少一根管道包括：
外径；
内径；以及
多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中；
其中所述外径与所述内径的比率小于或等于约1.185。
18.如权利要求17所述的热交换器，其中所述外径与所述内径的所述比率小于或等于约1.181。
19.如权利要求17所述的热交换器，其中每个凸脊顶部宽度与所述内径的比率乘以所述多个凸脊中的凸脊数量等于或大于约1.60。
20.如权利要求17所述的热交换器，其中：
凸脊横截面积与内径的平方值的比率等于或大于约0.0014；以及
凸脊高度与内径的比率等于或大于约0.045。
21.一种热交换器，所述热交换器包括：
多个翅片；
供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合，所述多根管道中的至少一根管道包括：
外径；
内径；以及
多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中；
其中每个凸脊顶部宽度与所述内径的比率乘以所述多个凸脊中的凸脊数量等于或大于约1.60。
22.如权利要求21所述的热交换器，其中：
凸脊横截面积与内径的平方值的比率等于或大于约0.0014；以及
凸脊高度与内径的比率等于或大于约0.045。
23.一种热交换器，所述热交换器包括：
多个翅片；
供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合，所述多根管道中的至少一根管道包括：
外径；
内径；以及
多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中；
其中：
凸脊横截面积与内径的平方值的比率等于或大于约0.0014；以及
凸脊高度与内径的比率等于或大于约0.045。
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