CN105066761B - 一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管 - Google Patents
一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，其外表面设有T形翅片,相邻翅片之间形成空穴，以及传热管内表面设有螺旋槽道，其特征在于外表面具有沿轴向、径向以及沿与轴向呈不同夹角方向延伸的多条沟槽，其不同方向延伸的沟槽交汇处呈现“米”字形，交汇点处为管外与所述空穴相连通的通道，即形成空穴内蒸汽的排出口，其排出口为窄缝形状。同时，T形翅片侧面设有三角形凸出，凸出尽可能靠近翅片侧面，与翅片表面夹角为锐角，本发明的带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管在使用低压冷媒介质工作时，汽化核心成核容易，汽化核心数目多，汽泡脱体频率快，换热效果好。
Description
技术领域：
本发明公开了一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，属于制冷空调系统中的满液式蒸发器中的高效换热管，尤其适用低压制冷剂，如R245fa，作为工质的蒸发器。
背景技术：
满液式蒸发器是商用制冷系统中不可缺少的重要部件。蒸发器的性能优劣在很大程度上取决于蒸发器内的传热铜管的热交换性能。在满液式蒸发器中，制冷剂在蒸发器内将换热管淹没，当热流体在管内流过时，热量从热流体传递给管外的制冷剂，导致制冷剂沸腾产生蒸汽。提高蒸发器的换热效率的重要途径是增强换热管沸腾换热能力，沸腾换热能力的提高可以大大减少蒸发器的体积，并且降低成本。
目前流行的商业蒸发管是在表面上加工出T形翅片，相邻翅片及翅片顶部形成空穴结构，同时这些空穴上部具有连接空穴与管外的制冷剂的通孔，构成空穴的上开口，几何结构特点是上开口小，下面具有较大空间的空穴结构，其形状类似瓶状，空穴相互之间在径向上通连构成通道。汽泡在空穴的底部或翅片根部形成并逐渐长大，最后从空穴的上开口逸出。汽泡脱离后，该处形成负压，液体从上开口或者其他处开口通过空穴间的通道迅速进行补充。这个过程不断重复，液态制冷剂在金属外表面的各个空穴内不断蒸发和沸腾。
为了提高蒸发管得换热性能，在原有的T形翅片蒸发管基础上，许多学者和工程师进行了改进，中国专利：ZL201210558578.X，为改进降膜蒸发器用换热管，在换热管外表面设置有网格状微槽道，其目的是使喷淋到换热管上的制冷剂液体可以通过微槽道沿轴向流动，达到使换热管表面液膜厚度均匀，进而提高换热管的换热效果。中国专利：200510041468.5 中提出在相邻翅片侧面设置横向突起，横向突起表面弯曲，长度足够长，相邻翅片侧壁上的横向突起的顶部相互接触，或者只留下窄缝，其目的是将空穴通过横向突起分割成为两个腔体，即复式空穴结构。
目前广泛使用的T形翅片以及空穴结构的蒸发管以及经过改进的蒸发管型构造对于蒸发工作压力大的制冷剂工质，如R134a，沸腾时的压力达到0.3MPa左右，起到了很好的效果，但是当用于低压沸腾工质，如R245fa时，其沸腾压力低于一个大气压，且与R134a的物性大不相同，如粘性、表面张力、蒸气密度等都发生改变，实验中明显表现出汽泡数目大大减少，汽泡体积变大，汽泡脱体频率减小，影响了沸腾换热系数，效果不能令人满意。实验说明常规的管型可以适合制冷剂R134a，但是不适用低压制冷剂，如R245fa。
发明内容:
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种结构简单实用，汽化核心成核容易，汽化核心数目多，汽泡脱体频率快，换热效果好的带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管。
本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，包括管体、管体外表面设置的由翅片及翅片顶部向两侧延伸的平台构成的T型翅片、相邻T型翅片构成的空穴以及管体内表面的螺旋槽道，其特征在于T型翅片外表面设有沿各个方向延伸三角形微沟槽，包括沿轴向和径向以及与轴线呈45°和135°角度的方向延伸的三角形微沟槽，各个方向延伸的沟槽交汇点形成“米”字状，交汇点处为空穴中产生的蒸汽排出口，蒸汽排出口的形状为窄缝状；翅片侧面设有三角形凸出，三角形凸出各个边长平直，且朝向翅片侧壁面的凸出物表面为平面，且尽可能靠近翅片侧壁，与翅片侧面构成锥形狭缝状，且锥形顶角，即凸出与翅片间的夹角β为小锐角；相邻T型翅片之间构成空穴，管体内表面设有螺旋槽道。
为了进一步实现本发明的目的，所述的T型翅片为螺旋T型翅片，T型翅片的高度H为0.5～1.4mm， T型翅片片距L为0.4～1.3mm，翅片间空穴的宽度W为0.25-0.5mm。
为了进一步实现本发明的目的，所述的沟槽宽度0.05～0.3mm，深度 0.05～0.2mm，各个方向延伸的沟槽形成的“米”字形交汇点构成的蒸汽排出口，形状呈规则窄缝状，宽度为0.05～0.15mm，长度为0.07～0.4mm，数目为90～500 /cm2。
为了进一步实现本发明的目的，所述的三角形凸出具有长边和短边，另一边与翅片相连，长边长度为0.2～1.0mm，短边长度为0.1～0.4mm，锥形顶角β为 5°～15°。
为了进一步实现本发明的目的，所述的相邻翅片形成的空穴两侧面上设置的三角凸出交错排列，沿径向观察，两侧凸出物的顶尖之间间隙大于空穴宽度的60%以上。
为了进一步实现本发明的目的，所述的螺旋槽道的数目为15～60条，呈梯形，下底部宽度0.3～0.5mm，上开口宽度0.5～1.0mm，螺旋角α=15°～60°，槽道深度为0.15-0.5mm。
本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：根据热力学理论分析，核化沸腾中，存在两种不同的过程～汽泡的形成（核化）与这些汽泡后续的生长和运动。提高蒸发管的沸腾换热系数重要途径是：在蒸发表面促进形成更多的活化汽化核心点，进而产生更多的汽泡，因而提高沸腾换热效果。而汽化核心能否活化取决于过热度的大小，过热度的大小受到凹穴或者锥形穴的上开口半径的影响，适当的锥形角产生的上开口半径以及与制冷剂的表面张力、润湿性能相结合可以提高激活汽化核心能力，生成更多的汽泡进而增加沸腾换热系数。
为此本发明在T型翅片2的两侧壁面上加工出三角形凸出7，并且三角形凸出7与T型翅片2侧面形成锐角锥形状。实验证明，在R245fa作为制冷剂条件下，所生成的锥形的顶角越小越好，顶角越小，出口的半径也越小，所产生的汽泡的过热度也越大。生成活化汽化核心数目也越多。为了保证锥形顶角足够小，T型翅片壁面上的凸起尽可能靠近翅片壁面。T型翅片两侧的凸出7a和7b之间的距离尽可能大，这样做的另外一个好处是，由于T型翅片形成的空穴的底部热流密度最大，也可以产生汽化核心，于是，产生的汽泡在生长过程中可以不受阻碍，以及当汽泡从顶部的小孔溢出时流动通畅，进而增加换热效果，为此本发明在T型翅片2的两侧壁面上加工出三角形凸出7a，三角凸出7b交错排列，不会接触，但是径向观察，两侧三角形凸出7a和7b的顶尖之间间隙大于空穴宽度的60%以上。通过上述措施，不仅在蒸发管空穴的底部可以生成汽泡核心，壁面处也可生成大量的汽化核心，因此大大增加了汽化核心的数目，强化了沸腾换热。
影响沸腾换热效果的另外一个因素是汽泡从换热管表面的脱离速度，汽泡的脱体速度与汽泡的直径有关，汽泡的脱体直径越小，汽泡的脱体速度越快，频率越大，换热效果越好。T型翅片形成的空穴上开口的大小及形状决定了汽泡脱体直径的大小。制冷剂R245fa的表面张力大于R134a制冷剂，实验中观察到，在常规换热管表面制冷剂R245fa汽泡的脱体直径要大于R134a制冷剂汽泡的脱体直径，这样影响了汽泡的脱体频率，经过试验，发现T型翅片形成的空穴上开口为窄缝时，可以减小汽泡的脱体直径，提高沸腾换热系数。为减小出口处几何尺寸与形成窄缝，本发明在换热管表面均匀布置多条浅三角形微沟槽5，沟槽5的延伸方向包括轴向、径向以及与轴向呈一定夹角方向，在各个方向延伸沟槽的交汇处形成“米”字形，这样作的目的是经过多次的碾压，其交汇处方可形成窄条形蒸汽排出口6，蒸汽从此排汽口排出，在排汽口处形成汽泡，在汽泡达到脱体直径后，离开换热管表面。经过试验证明，当汽泡从窄缝形出汽口排出后，其脱体直径小于常规蒸发管的脱体直径，因而增加了其汽泡的脱体频率，进而增加了换热效果。本发明新管型在制冷剂R245fa的蒸发沸腾试验中，比常规管型换热系数提高了30%左右。
附图说明:
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的部分立体结构示意图；
图3为本发明的部分纵向剖视示意图；
图4为本发明的表面结构示意图；
图5为本发明换热管与常规换热管总传热系数实验结果比较图。
具体实施方式：
通过下面的具体实施方式对本发明作进一步的叙述，以助于理解本发明，但是不构成对本发明的限制。
实施例：一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管（参见图1-图5），其包括管体1，管体1外表面设有T型翅片，T型翅片由翅片2及翅片2顶部向两侧延伸的平台3构成， T型翅片外表面设有沿各个方向延伸三角形微沟槽5，包括沿轴向和径向以及与轴线呈45°和135°角度的方向延伸的三角形微沟槽，各个方向延伸的沟槽交汇点形成“米”字状，交汇点处为空穴中产生的蒸汽排出口6，蒸汽排出口6的形状为窄缝状；翅片2侧面设有三角形凸出7，三角形凸出7各个边长平直，且朝向翅片2侧壁面的凸出物表面为平面，且尽可能靠近翅片2侧壁，与翅片侧面构成锥形狭缝状，且锥形顶角β，即凸出与翅片间的夹角β为小锐角；相邻翅片2之间构成空穴4，管体1内表面设有螺旋槽道8。
所述的T型翅片为螺旋T型翅片，T型翅片的高度H为0.5～1.4mm， T型翅片片距L为0.4～1.3mm，翅片间空穴4的宽度W为0.25-0.5mm。
所述的沟槽5宽度0.05～0.3mm，深度 0.05～0.2mm，各个方向延伸的沟槽5形成的“米”字形交汇点构成的蒸汽排出口6，形状呈规则窄缝状，宽度为0.05～0.15mm，长度为0.07～0.4mm，数目为90～500 /cm2。
三角形凸出7具有长边和短边，另一边与翅片2相连，长边长度为0.2～1.0mm，短边长度为0.1～0.4mm，锥形顶角β为 5°～15°。
所述的相邻翅片2形成的空穴4两侧面上设置的三角凸出7a和7b交错排列，沿径向方向观察，两侧凸出物的顶尖之间间隙约翅片间空穴4宽度W的60%，以保证底部产生的汽泡流动顺畅。
所述的螺旋槽道8的数目为15～60条，呈梯形，下底部宽度0.3～0.5mm，上开口宽度0.5～1.0mm，螺旋角α=15°～60°，槽道深度为0.15-0.5mm。
本实例的管体1外径为19mm，壁厚为1.2mm,采用专门的翅片机，管外和管内同时一体化加工，翅片2间距为0.6mm，翅片间空穴宽度为0.45mm，翅片高度为0.8mm。采用切刀切出交错排列的三角形凸出7，三角形凸出7与翅片2夹角β为10°，两凸出物顶尖间距为0.3mm，在翅片2顶部沿与轴向平行、夹角呈45°、夹角呈135°和径向方向，使用齿刀进行多次滚压，形成三角形微槽道5，槽道宽度0.15mm，槽深0.2mm，使翅片2顶部平台3没有间隙，并在三角形微槽道5形成的米字形交汇处形成窄缝形蒸汽排出口6，窄缝的宽度为0.05mm，长度为0.4mm，使制冷剂形成较小的脱离汽泡，增加脱体频率，提高换热效率。管内用芯头加工出内螺旋槽道8，槽道数目为45齿，槽道螺旋角α为45°，槽道呈梯形，下底部宽度0.5mm，上开口宽度0.8mm，槽道深度为0.4mm，增强管内流体的换热，提高整体换热效率。
对本实例制作的蒸发管进行了性能测试，为测试与常规蒸发管的性能对比，特制作了与本实例相同翅片片距、相同翅片高度的T型蒸发管，管内螺旋槽道数目、角度及高度与本实例相同。图5为本实例与相同尺寸的常规蒸发管性能对比，测试制冷剂为R245fa，蒸发温度为6℃，图中横坐标为水速（m/s），纵坐标为总传热系数（W/（m2*K），图中实心正方形为试验点，实心菱形为相同尺寸常规蒸发管试验点，二者相比较，本实例总传热系数提高30～50%。
本实例换热管主体采用铜及铜合金、不锈钢和钛等材料制成。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，其它优选实施方式在此不一一累述，且并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落于本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，包括管体（1）、管体（1）外表面设置的由翅片（2）及翅片（2）顶部向两侧延伸的平台（3）构成的T型翅片、相邻T型翅片构成的空穴（4）以及管体（1）内表面的螺旋槽道（8），其特征在于:T型翅片外表面设有沿各个方向延伸三角形微沟槽（5），包括沿轴向和径向以及与轴线呈45°和135°角度的方向延伸的三角形微沟槽，各个方向延伸的沟槽交汇点形成“米”字状，交汇点处为空穴中产生的蒸汽排出口（6），蒸汽排出口（6）的形状为窄缝状；翅片（2）侧面设有三角形凸出（7），三角形凸出（7）各个边长平直，且朝向翅片（2）侧壁面的凸出物表面为平面，且靠近翅片（2）侧壁，与翅片侧面构成锥形狭缝状，且锥形顶角，即凸出与翅片间的夹角β为小锐角；相邻T型翅片之间构成空穴（4），管体（1）内表面设有螺旋槽道（8）。
2.根据权利要求1所述的一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，其特征在于所述的T型翅片为螺旋T型翅片，T型翅片的高度H为0.5～1.4mm， T型翅片片距L为0.4～1.3mm，翅片间空穴（4）的宽度W为0.25-0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，其特征在于所述的沟槽（5）宽度0.05～0.3mm，深度 0.05～0.2mm，各个方向延伸的沟槽（5）形成的“米”字形交汇点构成的蒸汽排出口（6），形状呈规则窄缝状，宽度为0.05～0.15mm，长度为0.07～0.4mm，数目为90～500 /cm2。
4.根据权利要求1所述的一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，其特征在于所述的三角形凸出（7）具有长边和短边，另一边与翅片（2）相连，长边长度为0.2～1.0mm，短边长度为0.1～0.4mm，锥形顶角β为 5°～15°。
5.根据权利要求1所述的一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，其特征在于所述的相邻翅片（2）形成的空穴（4）两侧面上设置的三角凸出（7a，7b）交错排列，沿径向观察，两侧凸出物的顶尖之间间隙大于空穴（4）宽度的60%以上。
6.根据权利要求1所述的一种带窄缝形蒸汽排出口的蒸发管，其特征在于所述的所述的螺旋槽道（8）的数目为15～60条，呈梯形，下底部宽度0.3～0.5mm，上开口宽度0.5～1.0mm，螺旋角α=15°～60°，槽道深度为0.15-0.5mm。
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