CN106796090A - 增强管内的湍流器 - Google Patents

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Abstract

一种热交换管将外部表面特征和内部表面特征结合，例如具有压扁的翅片和空腔的外部表面特征(这样的外部表面特征可具有极高的沸腾增强特性)和具有高性能交叉螺旋(例如，具有交叉螺旋角的“网纹”)的内部表面特征。这种新型管可在壳管式蒸发器中提供高性能管，其相对更小、更具效率、并且可使用相对较低的制冷剂装料。

Description

增强管内的湍流器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，例如壳管式热交换器，该壳管式热交换器可用于例如加热通风空调(HVAC)系统和/或其中的单元，比如可包括流体冷却器。该热交换器包括具有外表面和内表面特征的管，以增强在该管上或通过该管的流体热交换。还公开了一种具有内表面特征的管与湍流器的组合。
背景技术
可用于例如HVAC系统中的热交换器可以包括各种圆管设计，比如壳管式热交换器。圆管在管的外部或在管的内部具有表面特征，这些表面特征旨在增强在该管上或通过该管的热传递。
发明内容
描述了一种热交换器，其包括具有一个或多个外表面特征和一个或多个内表面特征的热交换管，外表面特征和内表面特征两者都是用于增强在管侧上和管外侧上流体的热交换。还公开了一种具有内表面特征的管与湍流器的组合。
I.增强管
在一些实施例中，外部表面特征可以包括已被压扁的翅片结构。翅片结构具有带凹口的翅片。凹口可具有深度而翅片可具有距根部的高度，其中翅片之间限定出空腔。翅片的顶部可以具有一个或多个凹口，并且翅片可以被压扁或用其他方式折弯以在翅片上从凹口起产生一个或多个侧腔。翅片结构可以具有一定数量的翅片或翅片频数(例如，每管长度的翅片数)、一定的翅片高度，在翅片上的一个或多个空腔和/或翅片之间的空腔可以设计为各种构造和/或尺寸以实现例如一定的空腔成核和进出管上空腔的一定流动。
在一些实施例中，内部表面特征可以包括肋片结构，其中在某些情况下，该肋片结构可以被内螺旋为螺旋式的构造。在一些实施例中，可能存在多于一个通过该管的内螺纹，其中该内螺纹具有各种构造。例如，该内螺纹可以以彼此交叉的两个或多个螺旋线(或螺纹线)构成的网纹构型来设置。肋片结构可以具有肋片高度、肋片间的深度、以及肋片频数(例如，每管长度的肋片数)。在使用螺旋式肋片构型的实例中，可用到一定的螺旋角。通常，肋片结构都可以设计成各种构型和/或尺寸以实现一定的压降限制。
在一些实施例中，可以对内表面特征和外表面特征两者进行设计以获得一定的性能目标，该性能目标可以例如相对于传热系数来描述，比如说，Btu/hr-ft2-F，这是传热速率(即，Btu/hr)与传热面积(即，ft2)(这两者合起来也称为热通量，即Btu/hr-ft2)和温度(即，度数F)的表达式。应当理解，在传热系数中，针对管侧(例如，管内)性能，可以对水流和雷诺数进行考虑。针对壳侧(例如，管外)性能，可以对热通量进行考虑。在此两种情况下均可以对温度进行考虑。通过指定这些参数，可以设置足够的性能目标以具有有意义的性能比较。
在一个实施例中，就蒸发器中的管束内的全部传热系数而言，相比于例如其他仅使用单个表面的传热管性能增益可以高达15％或15％左右至30％或30％左右。
在一个实施例中，该性能增益可以通过某些参数或条件的组合来实现，这些参数或条件包括但不限于，例如热通量、温度、以及水流。这些定义了的参数可以用于确定内表面特征和外表面特征的构造，以获得如上所指出的性能增益，但当简单地对外表面和内表面进行组合时，或在观察可在使用单个内表面或单个外表面的管上获得的数据时，并不一定能预期到该性能增益。在一些实施例中，热通量参数可以是例如5000Btu/hr-ft2或5000Btu/hr-ft2左右至20000Btu/hr-ft2或20000Btu/hr-ft2左右，也可以是例如13000Btu/hr-ft2或13000Btu/hr-ft2；温度可以是例如38°F或38°F左右至45°F或45°F左右，也可以是例如42°F或42°F左右；以及水流速率可以用雷诺数来描述，且可以是例如12000或12000左右至42500或42500左右，并且处在3加仑每米或3加仑每米左右至12加仑每米或12加仑每米的流速范围内，还可以是例如处在6.8加仑每米或6.8加仑每米左右至8.22加仑每米或8.22加仑每米左右。压降限制则为或约为49°F。
在一些实施例中，使用了热交换管的热交换器为壳管式热交换器，用于，例如蒸发器或其他沸腾管应用中。壳管式热交换器及其管可用于HVAC系统和/或HVAC系统的一个或多个单元中。应当理解，本文中的热交换管可以适用于任何采用沸腾管的壳管式蒸发器，例如包括降膜式蒸发器和/或满液膜式蒸发器。在一些实施例中，HVAC系统或单元包括流体冷却器，例如，水冷却器，在该流体冷却器中整合有本文所述的带有管的热交换器。还应当理解，该热交换器管并非限制为水冷却器，因为热交换管可用于任何需要沸腾管的系统或单元。应当理解，管中的流体可以是水或乙二醇或其他类似的流体，而管外(例如，壳侧)的流体可以是制冷剂。
在一个实施例中，应用热交换管的单元为50和/或60Hz空气冷却水冷却器的蒸发器，该水冷却器使用R134a型制冷剂并具有140吨左右至500吨左右的冷却能力。
在一些实施例中，在壳管式热交换器中使用的这种制冷剂类型可能影响到管的构造，包括，例如外表面特征。例如，任何类型的制冷剂都可以用在本文中所述的热交换管，并且本文中所述的热交换管也适于与任何类型的制冷剂一起使用，包括但不限于，例如HCFC、HFC、和/或HFO制冷剂，并且其中的混合物可具有不同的比容和不同的额定压力。例如，R123是相对低压且相对较低比容的制冷剂，其可使用相对较大的空腔设计以实现合适的流体流动。例如，R134a是相对中等压力且相对中等比容的制冷剂，其可使用相对较小的空腔设计以实现合适的流体流动。例如，R410是相对高压且相对较高比容的制冷剂，其可使用相对较小的空腔设计以实现合适的流体流动。
在一个实施例中，管的材料由铜制成，例如，铜合金。
在一个实施例中，应当理解，该管可以承受200psig或200psig左右以及更高的压力。
在一个实施例中，管的外径为或约为0.75英寸，或者管的外径为或约为1.0英寸。
在一个实施例中，内径可以取决于管的标称壁厚，在一些实施例中，管的标称壁厚为0.22英寸或0.22英寸左右至0.28英寸或0.28英寸左右。在一个实施例中，标称壁厚为或约为0.25英寸。应当理解，内径可以从外管径和所选的标称壁厚来进行确定。
II.增强管内的湍流器
热交换管包括外部表面特征和/或一个或多个内部表面特征，以增强在管侧和管外侧的流体的热交换，这种热交换管有时也称为增强管。在一些实施例中，湍流器可以安装在增强管的管侧。湍流器通常是用于在流体流动中产生湍流的装置。当流体流动的雷诺数相对较低时(例如，等于或约等于8000或者小于8000)，湍流器和增强管的组合能够提高热交换效率，这在一些情况下可以适用于低温应用场合。
热交换管包括：内表面特征、和在热交换管内部沿纵向方向延伸的湍流器。
在一些实施例中，湍流器的至少一部分位于内表面特征上。
在一些实施例中，热交换管还包括外表面特征，例如，任何本文中所述的增强管。
在一些实施例中，当工作流体流动处于湍流区域时，内表面特征显著地对传热系数有贡献。
在一些实施例中，当工作流体流动处于过渡区域时，湍流器显著地对传热系数有贡献。
在一些实施例中，当工作流体流动处于中间区域时，湍流器和内表面特征显著地对传热系数有贡献。中间区域包括低于过渡区域和湍流区域之间的过渡雷诺数的雷诺数，和高于过渡雷诺数的雷诺数。
在一些实施例中，湍流器可以由金属制成，例如铜。在一些实施例中，湍流器可以由非金属材料制成。在一些实施例中，湍流器的材料可以是非腐蚀性的，并且与热交换管的材料(例如，铜)相容，与工作流体(例如，水和/或乙二醇)相容和/或不溶于工作流体。
流体流过热交换器的方法包括：引导工作流体通过具有内表面特征和湍流器的热交换管。在一些实施例中，引导工作流体包括引导单程通过热交换器，例如壳管式热交换器。
制作热交换管的方法，包括：在热交换管的内表面提供用于在湍流流体流动区域显著地产生湍流的内表面特征；提供用于在过渡流体流动区域中显著地产生湍流的湍流器；以及将该湍流器安装在热交换管内。
在一些实施例中，内表面特征和湍流器用于在中间区域内协同地做出贡献，该中间区域包括低于过渡区域和湍流区域之间的过渡雷诺数的雷诺数，和高于过渡雷诺数的雷诺数。
在一些实施例中，该制作热交换管的方法可包括：将湍流器的第一端固定在热交换管的第一端；以及将湍流器的第二端延伸至热交换管的第二端。
在一些实施例中，湍流器可具有大于热交换管内径的直径。当湍流器在热交换管内延伸时，湍流器的收缩趋势将湍流器推向热交换管的内表面，以将湍流器保持在热交换管内。
通过下面的详细描述以及附图，将使实施例的其他特征和方面变得清晰。
附图说明
现参考附图，纵观全文，其中相同的附图标记表示相同的部件。
图1是热交换管的一个实施例的侧剖视图。
图2到4是可结合在图1热交换管上的外表面特征的图片。
图5到7是可结合在图1热交换管上的内表面特征的图片。
图8A到8F是热交换管的一个实施例的各种侧视图、侧剖视图、局部视图以及端视图。
图9是各种传热管上的性能比较数据。
图10是根据一个实施例的湍流器。
图11是装配有湍流器的增强管。
图12示出了光滑管、增强管、具有湍流器的光滑管以及具有湍流器的增强管的传热系数/雷诺数相关性。
图13是根据一个实施例的传热回路10的示意图。
具体实施方式
I.增强管
增强铜管用于将热量从单相流体流(通常为水或乙二醇)传递到壳管式蒸发器中的制冷剂。通过使用在传热管的内部和外部的增强表面来提高传热效率。内表面增强通常增大流动湍流度以及传热表面积，而外部的蒸发器管增强则旨在产生成核化腔以促进沸腾。通常，内部增强是“内螺旋的”脊状表面，而外部增强是一些类型的带凹口的压扁的翅片。
通常，本文中的热交换管将具有极高沸点增强特性的外表面特征(例如压扁的翅片和空腔)与例如具有高性能交叉螺旋的内表面特征(例如，具有相交螺旋角的“网纹”)进行组合。本文中的热交换管可以在蒸发器内提供高性能管，其可以相对更小、更有效、并且可以使用相对更低的制冷剂装料。
例如，参见图1，图1示出在外(上)表面上如上述一般位于一些翅片上的那些特征和在内(下)表面上的肋片。在此视图中无法看出螺旋形和网纹状，但是可以参见，例如，下面将进一步描述的图8D。
在一个实施例中，本文中的热交换管可具有高外部制冷剂沸腾性能的外表面特征，并且该外表面特征可具有，例如，由弯曲或压扁的凹口翅片产生的双腔泡核沸腾细孔的特性。仅作为一个示例，以引用的方式整体并入本文的美国专利7,178,361和7,254,964描述了此类表面特征的构造以及如何制造这些表面特征。
例如参见图2到4，图2到4直接示出外表面特征的视图，是外表面逐渐拉近的视图。
在一个实施例中，本文中的热交换管可具有能够产生高单相流传热系数的内表面特征。例如，此类表面包括设置在交叉螺旋“网纹状”表面内的条纹图案，例如两个内螺旋图案，所述两个内螺旋图案可能具有不同或相同的尺寸和/或螺旋角。仅作为一个示例，以引用的方式整体并入本文的美国专利7,451,542描述了此类表面特征的构造以及如何制造这些表面特征。
例如，参见图5到7，图5到7直接示出内表面特征的视图，是内表面逐渐拉近的视图。
图8A到8F示出外径为0.75英寸的热交换管的另一个实施例的各种侧视图、侧剖视图、局部视图、以及端视图。图8A到图8C是侧视图，而图8D到8F的局部视图示出了图8A到图8C各自的细节。图8D示出具有螺旋角的网纹肋片和凹槽。其中内部表面特征具有两个生成网纹肋片的螺旋。在一个实施例中的螺旋角可为或约为50±2°。图8E同时示出外部和外表面特征，其中每英寸的外部翅片大约可为四十八标称。内表面上的肋片的高度，例如，在从内径到内表面直径的Y处，可以为或约为0.47±0.05mm，并且还示出了网纹线。图8E也示出了从外表面(例如，在根部直径处)到内径处的壁厚。图8E还示出了从外表面(例如，在根部直径处)到翅片端部的翅尖尺寸。图8F示出，例如，在C和D处的壁厚，该壁厚可以为或约为0.635mm(例如，0.25英寸)。
图9是各种传热管上的性能比较数据。如上所述，在一个实施例中，相对于其他传热管(例如，仅应用了单个表面的传热管)，使用本文中所述的热交换管的管束在总传热系数方面的性能增益可以高达约15％至约30％。图9示出了包括管束1、管束2、以及管束3的三个管束实例。管束1是仅使用外表面特征来增强热交换的先前设计。管束2和3则包括本文所述的外部和内部表面特征。管束2和3显示出比管束1改善至少约20％的性能和高达约30％的改进。此外，可见与在相似条件下评估的单个管(例如，参见图中表示单个管的线)相比，管束2和3接近等效性能。可以理解，在一些情况下，管束可能相对于单个管的评估和性能调低估值，因为在对管束的性能进行评估时可能存在一些损耗。然而，如图9所示，管束2和3示出了所述管束根据热通量在单个管处或接近单个管处应用的数据。应当理解，当观察仅在管的内表面上应用表面特征的管束时，能够观察到相似的结果。
应当理解，过去生产具有单个表面特征(即，仅在外表面上或者仅在内表面上)的制造方法在直接应用到将外表面特征和内表面特征结合到一个管上的制造方法上时会存在一些困难和挑战。
各个方面
应当理解，下列任意方面均可以与下列任意其他方面进行组合。
一方面：描述了一种热交换器，该热交换器包括具有一个或多个外部表面特征和一个或多个内部表面特征的热交换管，该外部表面特征和内部表面特征两者均用于增强管侧或管外侧上的流体的热交换。
一方面：在一些实施例中，外部表面特征可以包括已被压扁的翅片结构。
一方面：翅片结构具有带凹口的翅片。
一方面：凹口可具有深度且翅片可具有距根部的高度，其中翅片之间限定出空腔。
一方面：翅片的顶部可以具有一个或多个凹口，并且翅片可以被压扁或用其他方式折弯以在翅片上从凹口起产生一个或多个侧腔。
一方面：翅片结构可以具有一定数量的翅片或翅片频数(例如，每管长度的翅片数)、一定的翅片高度，在翅片上的一个或多个空腔和/或翅片之间的空腔可以设计为各种构造和/或尺寸以实现例如一定的空腔成核和进出管上空腔的一定流动。
一方面：在一些实施例中，内部表面特征可以包括肋片结构，其中在某些情况下，该肋片结构可以被内螺旋为螺旋式的构造。
一方面：在一些实施例中，可能存在多于一个通过该管的内螺纹，其中该内螺纹具有各种构造。
一方面：例如，该内螺纹可以以彼此交叉的两个或多个螺旋线(或螺纹线)构成的网纹构型来设置。
一方面：肋片结构可以具有肋片高度、肋片间的深度、以及肋片频数(例如，每管长度的肋片数)。
一方面：在使用螺旋式肋片构型的实例中，可用到一定的螺旋角。
一方面：通常，肋片结构都可以设计成各种构型和/或尺寸以实现一定的压降限制。
一方面：在一些实施例中，可以对内表面特征和外表面特征两者进行设计以获得一定的性能目标，该性能目标可以例如相对于传热系数来描述，比如说，Btu/hr-ft2-F，这是传热速率(即，Btu/hr)与传热面积(即，ft2)(这两者合起来也称为热通量，即Btu/hr-ft2)和温度(即，度数F)的表达式。
一方面：应当理解，在传热系数中，针对管侧性能(例如，管内)，可以对水流和雷诺数进行考虑。针对壳侧性能(例如，管外)，可以对热通量进行考虑。在此两种情况下均可以对温度进行考虑。
一方面：通过指定这些参数，可以设置足够的性能目标以具有有意义的性能比较。
一方面：在一个实施例中，就蒸发器中的管束内的全部传热系数而言，性能增益可以高达15％或15％左右至30％或30％左右，相比于，例如，其他仅使用单个表面的传热管。
一方面：在一个实施例中，该性能增益可以通过某些参数或条件的组合来实现，这些参数或条件包括但不限于，例如热通量、温度、以及水流。
一方面：这些定义了的参数可以用于确定内表面特征和外表面特征的构造，以获得如上所指出的性能增益，但当简单地对外表面和内表面进行组合时，或在观察可在使用单个内表面或单个外表面的管上获得的数据时，并不一定能预期到该性能增益。
一方面：在一些实施例中，热通量参数可以是例如5000Btu/hr-ft2或5000Btu/hr-ft2左右至20000Btu/hr-ft2或20000Btu/hr-ft2左右，也可以是例如13000Btu/hr-ft2或13000Btu/hr-ft2左右；温度可以是例如38°F或38°F左右至45°F或45°F左右，也可以是例如42°F或42°F左右；以及水流速率可以用雷诺数来描述，且可以是例如12000或12000左右至42500或42500左右，并且处在3加仑每米或3加仑每米左右至12加仑每米或12加仑每米的流速范围内，还可以是例如处在6.8加仑每米或6.8加仑每米左右至8.22加仑每米或8.22加仑每米左右。压降限制则为或约为49°F。
一方面：在一些实施例中，使用了热交换管的热交换器为壳管式热交换器，用于，例如蒸发器或其他沸腾管应用中。
一方面：壳管式热交换器及其管可用于HVAC系统和/或HVAC系统的一个或多个单元中。
一方面：应当理解，本文中的热交换管可以适用于任何采用沸腾管的壳管式蒸发器，例如包括降膜式蒸发器和/或满液膜式蒸发器。
一方面：在一些实施例中，HVAC系统或单元包括流体冷却器，例如，水冷却器，在该流体冷却器中整合有本文所述的带有管的热交换器。
一方面：还应当理解，该热交换器管并非限制为水冷却器，因为热交换管可用于任何需要沸腾管的系统或单元。
一方面：应当理解，管侧中的流体可以是水或乙二醇或其他类似的流体，而管外(例如，壳侧)的流体可以是制冷剂。
一方面：在一个实施例中，应用热交换管的单元为50和/或60Hz空气冷却水冷却器的蒸发器，该水冷却器使用R134a型制冷剂并具有140吨左右至500吨左右的冷却能力。
一方面：在一些实施例中，在壳管式热交换器中使用的这种制冷剂类型可能影响到管的构造，包括，例如外表面特征。
一方面：例如，任何类型的制冷剂都可以用在本文中所述的热交换管，并且本文中所述的热交换管也适于与任何类型的制冷剂一起使用，包括但不限于，例如HCFC、HFC、和/或HFO制冷剂，并且其中的混合物可具有不同的比容和不同的额定压力。
一方面：例如，R123是相对低压且相对较低比容的制冷剂，其可使用相对较大的空腔设计以实现合适的流体流动。
一方面：例如，R134a是相对中等压力且相对中等比容的制冷剂，其可使用相对较小的空腔设计以实现合适的流体流动。
一方面：例如，R410是相对高压且相对较高比容的制冷剂，其可使用相对较小的空腔设计以实现合适的流体流动。
一方面：在一个实施例中，管的材料由铜制成，例如，铜合金。
一方面：在一个实施例中，应当理解，该管可以承受200psig或200psig左右以及更高的压力。
一方面：在一个实施例中，管的外径为或约为0.75英寸，或者管的外径为或约为1.0英寸。
一方面：在一个实施例中，内径可以取决于管的标称壁厚，在一些实施例中，管的标称壁厚为0.22英寸或0.22英寸左右至0.28英寸或0.28英寸左右。
一方面：在一个实施例中，标称壁厚为或约为0.25英寸。
一方面：应当理解，内径可以从外管径和所选的标称壁厚来进行确定。
II.增强管内的湍流器
术语“增强管”通常是指在外表面和/或内表面(即，管侧表面)上包括有表面特征的热交换管。例如，本文公开的热交换管可以在外表面和内表面两者上均具有表面特征，应当理解，增强管可以包括仅在外表面或内表面中的一个具有表面特征的热交换管。本文公开的实施例通常应用于在内表面上具有表面特征的增强管的内表面。
当工作流体流动的雷诺数相对较高(例如高于8000)时，增强管通常在提高热交换效率方面表现良好。表面特征可以产生例如流体流动中的湍流，和/或扰乱流体流动中的边界层流层(例如，靠近管侧壁处)，这可以提高热交换效率。具有相对较高雷诺数的工作流体流动通常具有相对较小的粘度(例如水)。
然而，在一些应用场合中，例如在低温应用场合(例如，32°F或低于32°F)，HVAC系统的热交换管中的工作流体可能会冻结。可以向工作流体中加入防冻剂或冻结抑制剂(比如，乙二醇)以降低工作流体的冻结温度。防冻剂可以比工作流体相对更具粘性，从而可以降低工作流体流动的雷诺数。实验数据表明，当工作流体流的雷诺数相对较低(例如略高于，等于或低于8,000，例如参见，图12)时，增强管可能没有比光滑热交换管具有更多的热交换效率优势。
本文中的发明涉及湍流器与增强管的组合，特别是在增强管的内侧具有表面特征的增强管。湍流器可以安装在增强管的内表面上。在一些实施例中，湍流器的一部分与内侧的表面特征直接接触。例如当工作流体流动的雷诺数相对较低时，湍流器可以帮助提高热交换效率。与单独的增强管相比，湍流器和增强管的组合可以更大雷诺数范围地提高热交换效率。在HVAC系统中使用湍流器和增强管的组合可以扩展HVAC系统的作业范围和/或效率，并且可以适用于低温作业和/或低流动特性(例如，相对较低的雷诺数)的工作流体。
图11示出了湍流器1000。在所示实施例中，湍流器1000包括螺旋线结构。应当理解，湍流器通常是指一种被配置为将层流变成湍流的装置，且可具有各种构造。具有螺旋线结构的湍流器1000可具有圆形/光滑轮廓，这有助于在流体流动中产生湍流时减小压力降。
图12示出了在增强管1110的内表面1113中装配有湍流器1100的增强管1110。内表面1113可具有表面特征1112。
湍流器1100沿增强管1110的纵向方向L延伸。湍流器1100的至少一些部分与内表面1113的表面特征1112直接接触。
在热交换管中使用湍流器可以在工作流体流过热交换管时增大压降。因此，湍流器/增强管组合设计可能需考虑增加热交换效率的益处和压降增大的不利之处。可以对湍流器1100的构造(例如，直径、尺寸、间距)和增强管1110的几何形状进行变化以实现最佳的平衡。
如图11所示，当湍流器1100包括具有圆形轮廓的螺旋结构时，可以对湍流器直径Dw、管内径Dt、湍流器1100的间距P1(纵向方向L上的两个相邻螺旋之间的距离)、以及间距P2(纵向方向L上两个相邻表面特征1112之间的距离)进行考虑，以实现期望的性能目标。在一些实施例中，可以对这些参数之间的比率进行考虑。
在一些实施例中，比如在冷却器中，管内径Dt为0.5英寸或0.5英寸左右至1.25英寸或1.25英寸左右。在一些实施例中，管内径Dt为0.65英寸或0.65英寸左右至0.90英寸或0.90英寸左右。在一些实施例中，湍流器直径Dw为0.025英寸或0.025英寸左右至0.075英寸或0.075英寸左右。在一些实施例中，湍流器直径Dw为0.04英寸或0.04英寸左右至0.05英寸或0.05英寸左右。在一些实施例中，湍流器1100的间距P1为0.5英寸或0.5英寸左右至1.75英寸或1.75英寸左右。在一些实施例中，湍流器1100的间距P1为1.0英寸或1.0英寸左右至1.25英寸或1.25英寸左右。
在一些实施例中，当对湍流器直径Dw、管内径Dt、以及湍流器1100的节距P1之间的比率进行考虑时，Dw/Dt的比率可以为或约为0.06。在一些实施方案中，Dw/Dt的比率可以为0.04或0.04左右至0.1或0.1左右。在一些实施例中，P1/Dw的比率可以为或约为1.75。在一些实施例中，P1/Dw的比率可以为1或1 左右至2.5或2.5左右。应当理解，还可以对P2与P1、Dw和/或Dt中的任一个的比率进行考虑。例如，如图11中所示，在某些情况下P1大于P2。在一些实例中，P1可以为或大约为P2的三倍大，或者如图11中示出的那样是两倍大。
图12示出了光滑热交换管(曲线1210)、增强管(曲线1220)、具有湍流器的增强管(曲线1230)以及具有湍流器的光滑热交换管(曲线1240)的传热系数/雷诺数相关性的示例性比较。在所示实施例中，当雷诺数低于2000时，工作流体处于层流区域，而当雷诺数高于8000时，工作流体处于湍流区域。当雷诺数在200和8000之间时，工作流体处于过渡区域。应当理解，所示实例中的雷诺数是示例性的。可以针对具体配置确定在层流区域到过渡区域之间和/或在过渡区域到湍流区域之间的过渡的雷诺数。
增强管和光滑管在过渡区域中有相似的表现，例如，具有相似的传热系数。也就是说，当工作流体流动处于过渡区域时，增强管的内表面上的表面特征不会显著地对传热系数有贡献。具有湍流器的增强管在湍流区域下提高了传热系数。也就是说，当工作流体流处于湍流区域时，增强管的内表面上的表面特征可显著地对传热系数有贡献。内表面上的表面特征可以作为湍流发生器，以在工作流体流动处于湍流区域时在工作流体流动中显著地产生湍流。
尽管在过渡区域中，具有湍流器的光滑管的性能与光滑管的表现相似，但是具有湍流器的光滑管在过渡区域下具有更高的传热系数。也就是说，当工作流体流动处于过渡区域时，湍流器可以显著地对传热系数有贡献。湍流器可作为湍流生成器以在工作流体流动处于过渡区域时显著地生成湍流。
在湍流区域下，具有湍流器的增强管的传热系数与增强管的传热系数相似。图12示出具有湍流器的增强管可以在不牺牲湍流区域下的传热效率的情况下，帮助改善过渡区域中的热交换系数。
在所示的实施例中，与增强管(曲线1220)和具有湍流器的光滑管(曲线1240)相比，具有湍流器的增强管(曲线1230)的传热系数在部分过渡区域与部分湍流区域内的中间区域中具有更好的传热系数。在所示的实施例中，关于雷诺数，中间区域可以包括低于过渡点(例如，图12中的8000)的雷诺数和高于过渡区域与湍流区域之间过渡点的雷诺数。了解传热系数在过渡点之前、之后、以及通过整个过渡点中何处显著改善(即，曲线1230在何处比曲线1220和1240更高)。在所示实施例中，当工作流体流动处于中间区域时，湍流器和增强管的表面特征可以协同地作为湍流发生器。
具有湍流器的增强管可以用在热交换器中，该热交换器可以用在诸如HVAC系统之类的流体冷却器中(例如参见图13)。在一些实施例中，热交换器可以是壳管式热交换器。在一些实施例中，热交换器可以为单程热交换器。应当理解，具有湍流器的增强管可以用于其他类型的热交换器，例如，翅管式热交换器(例如，作为盘管)或其他可能使用到本文中设计的管的合适类型热交换器。
图13为根据一个实施例的传热回路10(例如，可以是流体冷却器)的示意图。该传热回路10通常包括压缩机12、冷凝器14、膨胀装置16、以及蒸发器18。压缩机12可以是，例如螺杆式压缩机。传热回路10是示例性的，并且可被改造为包括附加部件。例如，在一些实施例中，传热回路10可以包括其他部件，诸如但不限于节能热交换器、一个或多个流量控制装置、接收箱、干燥器、吸液热交换器等。传热回路10一般可以应用在各种用于控制空间(通常指调节空间)中的环境条件(例如，温度、湿度、空气质量等)的系统。系统的实例包括但不限于加热通风空调(HVAC)系统、运输制冷系统等。
传热回路10的部件可流通地连接。传热系统10可以特别地配置为可在冷却模式下运转的冷却系统，例如，水冷却器。
传热回路10根据公知的原理工作。传热回路10可以配置为加热或冷却传热流体或传热介质(例如，液体，但不限于水等)，在这种情况下，传热回路10通常可以表示液体冷却系统。任选地，传热回路10可配置为加热或冷却传热介质或液体(例如，气体，但不限于空气等)，在这种情况下，传热回路10通常可以表示空调或热泵。
在作业中，压缩机12将传热液体(例如，制冷剂等)从相对低压的气体压缩成相对高压的气体。相对高压和高温的气体被排出压缩机12，并流经冷凝器14。根据公知的原理，传热液体流经冷凝器10并将热量排出到传热流体或传热介质(例如，水、空气等)，从而冷却传热介质。冷却后的传热流体(其现在为液态)流至膨胀装置16。膨胀装置16降低传热流体的压力。从而使得传热流体的一部分被转换成气态。传热流体(其现在为气液共存态)流至蒸发器18。传热流体流过蒸发器18并从传热介质(例如，水、空气等)吸收热量，从而对传热流体进行加热并将其转化成气态。然后，气态的传热流体返回至压缩机12。在传热回路处于运行工况时，例如，处于冷却模式中(例如，当压缩机12启动时)，不断地进行上述流程。
各个方面
应当理解，下列的任意方面均可以与下列的任意其他方面进行组合。
一方面：热交换管包括：内表面特征、和在热交换管内部沿纵向方向延伸的湍流器。
一方面：在一些实施例中，湍流器的至少一部分位于内表面特征上。
一方面：在一些实施例中，热交换管还包括外表面特征，例如，任何本文中所述的增强管。
一方面：在一些实施例中，当工作流体流动处于湍流区域时，内表面特征显著地对传热系数有贡献。
一方面：在一些实施例中，当工作流体流动处于过渡区域时，湍流器显著地对传热系数有贡献。
一方面：在一些实施例中，当工作流体流动处于中间区域时，湍流器和内表面特征显著地对传热系数有贡献。中间区域包括低于过渡区域和湍流区域之间的过渡雷诺数的雷诺数，和高于过渡雷诺数的雷诺数。
一方面：在一些实施例中，湍流器可以由金属制成，例如铜。在一些实施例中，湍流器可以由非金属材料制成。在一些实施例中，湍流器的材料可以是非腐蚀性的，并且与热交换管的材料(例如，铜)相容，与工作流体(例如，水和/或乙二醇)相容和/或不溶于工作流体。
一方面：流体流过热交换器的方法包括：引导工作流体通过具有内表面特征和湍流器的热交换管。
一方面：在一些实施例中，引导工作流体包括引导通过热交换器的单程，例如壳管式热交换器。
一方面：在一些实施例中，制作热交换管的方法，包括：在热交换管的内表面提供用于在湍流流体流动区域显著地产生湍流的内表面特征；提供用于在过渡流体流动区域中显著地产生湍流的湍流器；以及将该湍流器安装在热交换管内。
一方面：在一些实施例中，内表面特征和湍流器用于在中间区域内协同地做出贡献，该中间区域包括低于过渡区域和湍流区域之间的过渡雷诺数的雷诺数，和高于过渡雷诺数的雷诺数。
一方面：在一些实施例中，该制作热交换管的方法可包括：将湍流器的第一端固定在热交换管的第一端；以及将湍流器的第二端延伸至热交换管的第二端。
一方面：在一些实施例中，湍流器可具有大于热交换管内径的直径。当湍流器在热交换管内延伸时，湍流器的收缩趋势将湍流器推向热交换管的内表面，以将湍流器保持在热交换管内。
关于前述描述，应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，仍可以进行细节上的变化。前述描述之意图仅在于示例性地描述本说明书及实施例，而本发明的真实范围和精神则由权利要求的宽泛含义来指示。

Claims (21)

1.一种热交换管，包括：
在所述热交换管的内径上的内表面特征；和
在所述热交换管内部沿纵向方向延伸的湍流器，所述湍流器的至少一部分位于所述内表面特征上，
所述内表面特征和所述湍流器具有相关联的结构和布置，以相对于不具有所述内表面特征和所述湍流器的热交换管，且在工作流体流动处于中间区域的运行工况下，协同地提高热交换管的传热系数，以及
所述中间区域定义为包括低于湍流区域之前的过渡点的雷诺数、通过所述过渡点的雷诺数、以及刚好在所述过渡点之后的雷诺数。
2.如权利要求1所述的热交换管，其中所述运行工况包括处于或低于32°F的温度应用场合、和8000雷诺数的所述过渡点。
3.如权利要求1所述的热交换管，进一步包括湍流器直径Dw与管内径Dt的比值Dw/Dt，其中该比值为0.04至0.1。
4.如权利要求1所述的热交换管，进一步包括湍流器间距P1与管内径Dt的比值P1/Dt，其中该比值为1至2.5。
5.如权利要求1所述的热交换管，进一步包括湍流器间距P1与间距P2的比值P1/P2，所述间距P2为所述热交流管的纵向方向上相邻两个表面特征之间的距离，其中该比值P1/P2约为2或约为3。
6.如权利要求1所述的热交换管，进一步包括在所述热交换管的外径上的外表面特征。
7.如权利要求1所述的热交换管，其中所述湍流器由金属制成的，是非腐蚀性的，是与热交换管的材料相容的，并且不溶于所述工作流体。
8.如权利要求1所述的热交换管，其中所述湍流器由铜制成。
9.一种热交换器，包括：
具有内容积的壳；以及
位于所述壳内的多个根据权利要求1所述的热交换管。
10.如权利要求9所述的热交换器，其中所述热交换管被构造和设置成单程壳管式热交换器。
11.一种流体冷却器，包括：
热交换器，所述热交换器包括壳和位于所述壳内的多个根据权利要求1所述的热交换管。
12.一种流体流过热交换器的方法，包括：引导工作流体通过如权利要求1所述的热交换管，以及相对于如权利要求1所述的热交换管外部的流体，执行如权利要求1所述的热交换管内部的工作流体的热交换。
13.如权利要求12所述的方法，其中对所述工作流体的引导包括引导所述工作流体通过所述热交换器的单程，其中所述热交换器为单程壳管式热交换器。
14.一种制作热交换管的方法，包括：
在所述热交换管的内径上提供内表面特征；以及
在所述热交换管内部沿纵向方向提供湍流器，
将所述湍流器的至少一部分定位在所述内表面特征上；以及
对所述内表面特征和所述湍流器进行设置，以相对于不具有所述内表面特征和所述湍流器的热交换管，且在工作流体流动处于中间区域的运行工况下，协同地改善传热系数，
所述中间区域定义为包括低于湍流区域之前的过渡点的雷诺数、通过所述过渡点的雷诺数、以及刚好在所述过渡点之后的雷诺数。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述运行工况包括处于或低于32°F的温度应用场合、和8000雷诺数的所述过渡点。
16.如权利要求14所述的方法，进一步包括提供湍流器直径Dw与管内径Dt的比值Dw/Dt，其中该比值为0.04至0.1，且提供湍流器间距P1与管内径Dt的比值P1/Dt，其中该比值为1至2.5。
17.如权利要求14所述的方法，进一步包括提供湍流器间距P1与间距P2的比值P1/P2，所述间距P2为所述热交流管的纵向方向上相邻两个表面特征之间的距离，其中该比值P1/P2约为2或约为3。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述热交换管的外径上提供外表面特征。
19.如权利要求14所述的方法，其中所述湍流器为铜制的。
20.如权利要求14所述的方法，进一步包括将所述湍流器的第一端固定在所述热交换管的第一端上；以及将所述湍流器的第二端延伸至所述热交换管的第二端。
21.如权利要求14所述的方法，其中所述湍流器具有比所述热交换管的内径更大的直径，从而当湍流器在所述热交换管内延伸并释放所述热交换管时，所述湍流器的收缩趋势将所述湍流器推向所述热交换管的所述内表面，以将所述湍流器保持在所述热交换管内。
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