CN108387131A - 换热管、换热器及热泵机组 - Google Patents

换热管、换热器及热泵机组 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种换热管、换热器及热泵机组，其中，换热管包括管体和设于所述管体外表面的翅片；所述翅片包括：翅根部，设于所述管体的外表面；横翅部，设于所述翅根部的顶部，且向所述翅根部的两侧延伸；和翅顶部，设于所述横翅部的顶部，被构造成锯齿状，且所述锯齿状中的凹部延伸至所述横翅部。本发明利于扩大翅顶部的换热面积，摊薄液膜，且锯齿状的翅顶部利于冷媒流动，提高冷凝性能；横翅部向翅片的两侧延伸，形成利于蒸发和冷凝的下层通道和上层通道，使换热管兼顾蒸发性能和冷凝性能。

Description

换热管、换热器及热泵机组
技术领域
本发明涉及空气调节领域，尤其涉及一种换热管、换热器及热泵机组。
背景技术
现有满液式热泵机组用换热器，因其功能和工作原理不同，分为满液式蒸发器和满液式冷凝器，为两种不同结构形式的换热器。同样，作为满液式换热器的核心元器件换热管也分为满液式蒸发管和满液式冷凝管两种管型。
基于热泵机组对换热器既能蒸发又能冷凝的功能要求，已经有对现有换热器结构进行重新设计，对换热器结构进行调整，以实现既能满足蒸发又能同时满足冷凝的换热器结构类型。而作为换热器当中蒸发冷凝两用换热管的开发成为机组开发的一个瓶颈。
因此，需要开发一种既能满足蒸发又能同时满足冷凝功能的换热管。
发明内容
本发明一些实施例的目的之一是提出一种兼顾蒸发和冷凝的换热管、换热器及热泵机组。
本发明一些实施例提供了一种换热管，其包括管体和设于所述管体外表面的翅片；所述翅片包括：翅根部，设于所述管体的外表面；横翅部，设于所述翅根部的顶部，且向所述翅根部的两侧延伸；和翅顶部，设于所述横翅部的顶部，被构造成锯齿状，且所述锯齿状中的凹部延伸至所述横翅部。
可选地，所述翅片螺旋或平行设于所述管体的外表面，所述翅片间形成通道，所述通道内的相邻的所述横翅部之间具有间隙。
可选地，所述翅片螺旋或平行设于所述管体的外表面，所述横翅部将所述翅片间形成的通道分为外腔和内腔，所述内腔相对于所述外腔靠近所述管体的外表面。
可选地，所述内腔的壁面上设有第一凹槽。
可选地，所述第一凹槽设于所述管体的外表面。
可选地，所述第一凹槽呈“工”字型、“十”字型、“X”型、“U”型、三角形或三边以上的多边形。
可选地，所述横翅部被构造成曲线型，或者，所述横翅部的表面被构造成曲线型。
可选地，所述横翅部设有多个狭缝，至少一个所述狭缝连接至所述锯齿状的一凹部。
可选地，每一所述狭缝对应连接至所述锯齿状的一凹部。
可选地，至少位于所述翅根部一侧的所述横翅部向所述管体的外表面方向倾斜。
可选地，位于所述翅根部两侧的所述横翅部对称的向所述管体的外表面方向倾斜。
可选地，所述锯齿状的凸部的第一截面呈梯形、三角形或矩形，所述第一截面大体上垂直于所述管体的轴线。
可选地，所述锯齿状的凸部的第二截面呈矩形、平行四边形或梯形，所述第二截面大体上平行于所述管体的轴线。
可选地，所述锯齿状的凹部呈梯形、三角形或矩形。
可选地，所述翅顶部的至少一侧设有尖刺和/或第二凹槽。
可选地，在所述翅片沿所述管体的一周的区域段上，所述锯齿状的凸部数量为40～95个。
可选地，所述管体的内表面设有螺纹，所述螺纹的切线与所述管体的中心线的夹角为15°～65°。
本发明一些实施例提供了一种换热器，其包括上述的换热管。
本发明一些实施例提供了一种热泵机组，其包括上述的换热器。
可选地，所述热泵机组为满液式热泵机组。
基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
在一些实施例中，换热管包括管体和设于管体外表面的翅片；翅片包括翅根部、横翅部和翅顶部，翅顶部设于横翅部的顶部，被构造成锯齿状，且锯齿状中的凹部延伸至横翅部，利于扩大翅顶部的换热面积，摊薄液膜，且锯齿状的翅顶部利于冷媒流动，提高冷凝性能；横翅部向翅片的两侧延伸，形成利于蒸发和冷凝的下层通道和上层通道，使换热管兼顾蒸发性能和冷凝性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一些实施例提供的换热管的整体示意图；
图2为本发明一些实施例提供的换热管的局部示意图；
图3为本发明一些实施例提供的换热管的剖视示意图；
图4为本发明一些实施例提供的换热管的局部放大示意图；
图5为本发明一些实施例提供的换热管的翅片的局部放大示意图；
图6为本发明一些实施例提供的换热管的局部侧视示意图；
图7为本发明一些实施例提供的换热管的翅片的局部放大示意图。
附图中标号：
10-管体；11-光滑段；12-过渡段；13-成翅段；14-螺纹；
20-翅片；
21-横翅部；211-狭缝；
22-翅顶部；221-尖刺；222-第二凹槽；
23-翅根部；
24-外腔；
25-内腔；251-第一凹槽；
26-间隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，在一些实施例中，换热管包括管体10，管体10包括未加工的光滑段11，沿圆周完全成翅的成翅段13，以及光滑段11与成翅段13之间的过渡段12。
在一些实施例中，光滑段11用于壳管与换热管之间的胀接和密封作用。换热管在机组内运行时长时间保持在震动状态，过渡段12用于提高换热管的强度。过渡段12的外径小于光滑段11的外径。
如图2所示，在一些实施例中，换热管包括管体10和设于管体10外表面的翅片20。翅片20设于管体10的成翅段13。
可选地，翅片20为螺旋翅片，沿管体10的轴向螺旋设于管体10。
可选地，翅片20包括多个环形翅片，单个环形翅片沿管体10的圆周向设置，且各环形翅片沿管体10的轴向间隔布置。进一步地，各环形翅片平行设置。
可选地，翅片20包括多个直线型翅片，单个直线型翅片的长度方向与管体10的轴向一致，各直线型翅片沿管体10的圆周向间隔布置。进一步地，各直线型翅片平行设置。
如图4所示，在一些实施例中，翅片20包括翅根部23、横翅部21和翅顶部22。
在一些实施例中，翅根部23设于管体10的外表面。
在一些实施例中，横翅部21设于翅根部23的顶部，且向翅根部23的两侧延伸。横翅部21下方与翅根部23和管体10的外表面形成利于提高蒸发性能的空间。
在一些实施例中，翅顶部22设于横翅部21的顶部，被构造成锯齿状，且锯齿状中的翅顶部22的凹部延伸至横翅部21，用于扩大翅顶部22的换热面积，摊薄液膜，且锯齿状的翅顶部22利于冷媒流动，提高冷凝性能。
在一些实施例中，翅顶部22的厚度小于翅根部22的厚度，利于在翅顶部22形成尖锐边缘，刺破携液的气态冷媒。
可选地，翅片20的顶部采用挤压方式形成翅顶部22，翅顶部22的厚度相对于翅根部23的厚度薄，横翅部21相对于翅根部23和翅顶部22向翅片20的两侧延伸。
如图2、图4所示，在一些实施例中，翅顶部22被构造成锯齿状，且锯齿状中的凹部延伸至横翅部21，横翅部21向翅片20的两侧延伸，该结构兼顾蒸发性能和冷凝性能，解决了常规冷凝管当蒸发器时性能衰减问题；以及解决了常规蒸发管当冷凝器时性能衰减问题。
如图4所示，在一些实施例中，翅片20螺旋或平行设于管体10的外表面，螺旋翅片的本体间形成通道，或者多个翅片的相邻翅片间形成通道，通道内的相邻的横翅部21之间具有间隙26。
可选地，沿横翅部2的延伸方向，通道内的相邻的横翅部21之间具有间隙26。
可选地，沿横翅部2的延伸方向，通道内的相邻的横翅部21之间具有重叠段，间隙26位于相邻横翅部21的在翅片高度方向的空间。进一步地，其中一个横翅部21在翅片高度方向高于与其相邻的横翅部21。或者，其中一个横翅部21的末端(重叠段部位)在翅片高度方向高于与其相邻的横翅部21的末端(重叠段部位)。
在一些实施例中，通道内的相邻的横翅部21之间具有间隙26，打通了翅与翅之间的上下层通道，利于液态冷媒流通，强化了冷凝效果；并且在对冷媒进行蒸发时，利于冷媒的补充和气态冷媒的排出，强化了蒸发功能；利于蒸发和冷凝两种性能均不衰减。
在一些实施例中，翅片20螺旋或平行设于管体10的外表面，横翅部21将翅片20间形成的通道分为外腔24和内腔25，内腔25相对于外腔24靠近管体10的外表面。
在一些实施例中，横翅部21将翅片20间形成的通道分为外腔24和内腔25，通道内的相邻的横翅部21之间具有间隙26，间隙26利于保证下层蒸发功能形成的蒸发气泡逸出；且利于冷媒冷凝时，液态冷媒的排出。内腔25由横翅部21、翅根部23和管体10的外表面围成，主要是形成利于蒸发的小腔，采用的原理主要是泡核沸腾的原理。外腔25由横翅部21和翅顶部22围成，主要是增大换热面积，摊薄液膜，利于冷凝。因此，利于实现蒸发和冷凝两种性能均不衰减。
在一些实施例中，内腔25的壁面上设有第一凹槽251，通过设置第一凹槽251使内腔25内的表面粗糙不平，利于形成蒸发所需要的汽化核心，强化蒸发换热。
在一些实施例中，第一凹槽251可以设于管体10的外表面。由于管体10内通入载冷剂，用于与管体10外的冷媒换热，将第一凹槽251设于管体10的外表面，利于在管体10外表面形成汽化核心，强化蒸发换热；再者可以在原有平滑的管体10的外表面的基础上增加换热面积。进一步地，管体10的外表面，沿翅片20间的通道方向设有多个第一凹槽251。
可选地，利用平滑的滚光轮在管体10的外表面进行滚光压平处理，这样在管体10的外表面可以形成多坑表面结构，以提供蒸发所需要的汽化核心，强化蒸发换热。
在一些实施例中，第一凹槽251可以设于翅根部23的表面，利于形成汽化核心。进一步地，第一凹槽251可以沿翅根部23的高度方向设置，以利于冷媒沿第一凹槽251的流动。
在一些实施例中，第一凹槽251呈“工”字型、“十”字型、“X”型、“U”型、圆形、三角形、四边形、大于四边的多边形，或者其他不规则或规则的形状等。
在内腔25设置多个第一凹槽251，不平结构利于增加内腔25的粗糙度，利于形成汽化核心，强化蒸发功能。
在一些实施例中，横翅部21被构造成曲线型，或者，横翅部21的表面被构造成曲线型。横翅部21本体或表面被构造成曲线型利于增大换热面积，摊薄液膜，且利于冷媒的流动。
在一些实施例中，横翅部21设有利于流体穿过的狭缝211，利于冷媒的补充和蒸发气泡的逸出。
在一些实施例中，横翅部21设有多个狭缝211，每一狭缝211对应连接至锯齿状的翅顶部22的一凹部。通过设置狭缝211利于冷媒的流动，且狭缝211连接至翅顶部22的凹部利于冷媒流向内腔25。
可选地，狭缝211可以是长条形，且沿横翅部21的延伸方向延伸。
在一些实施例中，横翅部21设有多个圆形、三角形、方形，或者多于四个边的多边形，或者其他规则或不规则的通孔，以利于冷媒流向内腔25或气态冷媒的排出。
在一些实施例中，至少位于翅根部23一侧的横翅部21向管体10的外表面方向倾斜，以利于冷媒流向内腔25。
在一些实施例中，位于翅根部23两侧的横翅部21对称的向管体10的外表面方向倾斜，翅根部23与其顶部两侧的横翅部21结合的截面形状类似为“伞”状(如图6所示)，以利于冷媒流向内腔25。
在一些实施例中，位于翅根部23两侧的横翅部21水平设置。
在一些实施例中，锯齿状的翅顶部22的凸部的第一截面呈梯形、三角形或矩形，第一截面大体上垂直于管体10的轴线。
在一些实施例中，锯齿状的翅顶部22的凸部的第二截面呈矩形、平行四边形或梯形，第二截面大体上平行于管体10的轴线。如图5所示，在第二截面呈矩形时，β1为90度，在第二截面呈平行四边形或梯形时，β1可以为锐角或钝角。
在一些实施例中，锯齿状的翅顶部22的凹部呈梯形、三角形或矩形。
在一些实施例中，翅顶部22设有尖刺221(如图6所示)和/或第二凹槽222(如图7所示)。
进一步地，翅顶部22的至少一侧设有尖刺221，尖刺221用于增大翅顶部22的换热面积，冷凝工况时有利于刺破液膜，加快排走冷凝液体。翅顶部22的至少一侧设有第二凹槽222，第二凹槽222用于增大翅顶部22的换热面积，摊薄液膜，强化冷凝性能。进一步地，第二凹槽222可以设于翅顶部22的两侧，或者，设于翅顶部22的顶部。
在一些实施例中，在翅片20沿管体10的一周的区域段上，锯齿状的翅顶部22的凸部数量为40～95个，以强化冷凝换热效果。
进一步地，横翅部21设有多条狭缝211，每一狭缝211与锯齿状的翅顶部22的一凹部对应连接，狭缝的数量40～95，以强化蒸发效果，利于冷媒补充和气态冷媒的排出。
在一些实施例中，在强化管体10的外表面的同时，管体10的内表面设有螺纹14，螺纹14的切线与管体10的中心线的夹角β2为15°～65°(如图3所示)，也就是螺旋角β2为15°～65°；用于增加载冷剂侧的扰动强度，同时螺旋角增加可以增加换热面积。
在一些实施例中，管体10内侧的螺纹14沿周向成多头均布，螺纹头数n＝30～65。螺纹头数增加主要是用于增加换热面积，同时增加内侧载冷剂的扰动强度，强化内侧换热。
在一些实施例中，管体10的内侧利用开槽的衬芯滚压形成螺旋状凸起的内螺纹结构。
在一些实施例中，翅片20沿管体10表面呈单头螺旋分布；单螺旋分布成翅更加均匀，翅片一致性更好。
在一些实施例中，锯齿状的翅顶部22的凸部底部呈裂口状，利于加工和冷媒流动。
在一些实施例中，换热管上的翅片20采用专门的翅片辊轧机进行加工，采用挤压成型无屑加工工艺，利用刀具组合和衬芯开槽模具进行辊轧而成，双侧强化同时进行。由于换热管冷媒侧要求清洁度比较高，采用挤压成型无屑加工，可以避免产生铜屑。再者，由于挤压成型自成一体，强度也比较高。
在一些实施例中，翅片与翅片之间形成的通道宽度h1＝0.254mm～0.558mm之间，能够兼顾上层冷凝效果。如果间隙过小，下层蒸发腔体容易出现堵塞，同时上层冷凝凝结之后的液态不利于排出，降低冷凝效果。
在一些实施例中，如图3所示，翅片20的厚度h2=0.15mm～0.305mm。翅片20厚度过薄，不利于在翅片20的两侧进行滚压形成横翅部21，翅片20过厚，翅片20向内侧延伸会造成腔体比较小，甚至出现拥堵状况，不利于蒸发腔体的形成。
在一具体实施例中，采用外径19.05mm，壁厚为1.15mm的管体10进行加工。利用组合模具在管体10基础上先挤压成一定螺旋凸起的结构(翅片20)，利用刀具组合对挤压成的凸起结构进行滚压并在翅顶部22形成锯齿状，一是增加换热管的表面积，利于滚花形成的凸凹不平的外表面形状，促进冷凝的移动；二是减小冷媒液膜的厚度。同时引起加工形变在锯齿状的翅顶部22的底部形成自然裂口状。螺旋翅片进行挤压同时在翅片两侧进行挤压形成向翅槽内延伸的横翅部21。同时相邻横翅部21中间放置0.1mm垫片形成间隙26，利用翅与翅之间的通道进行排液，强化冷凝效果。同时因翅片顶部先挤压形成锯齿状，在挤压翅片向槽内延伸的同时自然形成狭缝211。
在一些实施例中，换热管的工作原理如下。
换热管在制冷工况下作为蒸发管使用：管体10外侧液态冷媒主要在内腔25进行蒸发，首先液态冷媒由外腔24经由间隙26和/或狭缝211进入内腔25，内腔25底部的管体10表面温度较高，具备蒸发所需要的过热度；同时内腔25底部的管体10表面具有多个第一凹槽251，增大了翅根部位的粗糙度，并在翅根部位形成大量蒸发所需的汽化核心；饱和液态冷媒在具有一定过热度和大量汽化核心的内腔25进行蒸发，蒸发产生的大量气泡通过间隙26和/或狭缝211排出，同时内腔25内的液态冷媒也通过间隙26和/或狭缝211进行补充。
换热管在采暖工况下作为冷凝管使用：管外侧高压气态冷媒主要在外腔24进行凝结，翅片20上的锯齿状的翅顶部22通过挤压成型，使得翅顶部22的凸部两侧比较尖锐，有利于刺破冷媒气泡，使得气态冷媒快速凝结为液态。翅顶部22的凹部及向管体10内表面倾斜的横翅部21显著增大了外腔24的表面积，这尤为利于气态冷媒的凝结换热。
由于横翅部21是倾斜的或者弯曲的，其上凝结产生的液态冷媒在表面张力及其重力综合作用下向下流动，并及时经过间隙26和/或狭缝211排至内腔25，进行进一步的冷却，由于内腔25环向连通，最终积累到一定量的液态冷媒经过换热管最下方排出换热管表面。
一些实施例提供了一种换热器，其包括上述的换热管。
一些实施例提供了一种热泵机组，其包括上述的换热器。采用上述换热器能够提高热泵机组的能效。
在一些实施例中，热泵机组为满液式热泵机组。
在满液式热泵机组当中，蒸发和冷凝工作原理和功能均不相同，在工作当中是两个相反的过程。冷凝过程是气态冷媒转换成液态冷媒，尽可能摊薄液膜，同时将液态冷媒及时导走，以便该冷凝过程能够持续高效运行，否则冷凝性能会衰减。而蒸发过程将液态冷媒转换成气态冷媒，要求能够提供更多的汽化核心，冷媒能够在换热管表面湿润，提高换热性能。
本发明一些实施例提供的换热管和换热器能够满足热泵机组在工况调整时对制冷和制热的需要。
在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (20)

1.一种换热管，其特征在于，包括管体(10)和设于所述管体(10)外表面的翅片(20)；
所述翅片(20)包括：
翅根部(23)，设于所述管体(10)的外表面；
横翅部(21)，设于所述翅根部(23)的顶部，且向所述翅根部(23)的两侧延伸；和
翅顶部(22)，设于所述横翅部(21)的顶部，被构造成锯齿状，且所述锯齿状中的凹部延伸至所述横翅部(21)。
2.如权利要求1所述换热管，其特征在于，所述翅片(20)螺旋或平行设于所述管体(10)的外表面，所述翅片(20)间形成通道，所述通道内的相邻的所述横翅部(21)之间具有间隙(26)。
3.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述翅片(20)螺旋或平行设于所述管体(10)的外表面，所述横翅部(21)将所述翅片(20)间形成的通道分为外腔(24)和内腔(25)，所述内腔(25)相对于所述外腔(24)靠近所述管体(10)的外表面。
4.如权利要求3所述的换热管，其特征在于，所述内腔(25)的壁面上设有第一凹槽(251)。
5.如权利要求4所述的换热管，其特征在于，所述第一凹槽(251)设于所述管体(10)的外表面。
6.如权利要求4所述的换热管，其特征在于，所述第一凹槽(251)呈“工”字型、“十”字型、“X”型、“U”型、三角形或三边以上的多边形。
7.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述横翅部(21)被构造成曲线型，或者，所述横翅部(21)的表面被构造成曲线型。
8.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述横翅部(21)设有多个狭缝(211)，至少一个所述狭缝(211)连接至所述锯齿状的一凹部。
9.如权利要求8所述的换热管，其特征在于，每一所述狭缝(211)对应连接至所述锯齿状的一凹部。
10.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，至少位于所述翅根部(23)一侧的所述横翅部(21)向所述管体(10)的外表面方向倾斜。
11.如权利要求10所述的换热管，其特征在于，位于所述翅根部(23)两侧的所述横翅部(21)对称的向所述管体(10)的外表面方向倾斜。
12.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述锯齿状的凸部的第一截面呈梯形、三角形或矩形，所述第一截面垂直于所述管体(10)的轴线。
13.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述锯齿状的凸部的第二截面呈矩形、平行四边形或梯形，所述第二截面平行于所述管体(10)的轴线。
14.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述锯齿状的凹部呈梯形、三角形或矩形。
15.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述翅顶部(22)的至少一侧设有尖刺(221)和/或第二凹槽(222)。
16.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，在所述翅片(20)沿所述管体(10)的一周的区域段上，所述锯齿状的凸部数量为40～95个。
17.如权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述管体(10)的内表面设有螺纹(14)，所述螺纹(14)的切线与所述管体(10)的中心线的夹角为15°～65°。
18.一种换热器，其特征在于，包括如权利要求1～17任一项所述的换热管。
19.一种热泵机组，其特征在于，包括权利要求18所述的换热器。
20.如权利要求19所述的热泵机组，其特征在于，所述热泵机组为满液式热泵机组。
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