CN1088184C - 用于降膜式蒸发器的热交换管 - Google Patents

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Abstract

一种降膜式蒸发器用的热交换管，它具有在管体外圆周上的与管的轴向成横向或相倾斜方向延伸的翅片。翅片的高度在0.2至0.8mm的范围内。该翅片在管子的轴向上的排列密度为每米905至1102个。在该翅片的顶端制成槽，该槽大致上沿翅片的方向延伸。该槽的相对的内壁表面限定了一个角度，该角度的范围是70°至150°。在翅片的顶端制成切口，切口的间距在0.5至1.0mm的范围内。采用这种结构，降膜式蒸发器用的热交换管具有高的制冷润湿和散布能力，同时具有大的表面积，可显著地改善传热性能。

Description

用于降膜式蒸发器的热交换管
本发明涉及降膜式蒸发器上用的热交换管，该管适用于在吸收制冷机的降膜式蒸发器或类似设备上。
在吸收水冷设备和加热设备或类似设备上的降膜式蒸发器上，制冷剂沿热交换管的外圆周表面向下流动，以便同从管中流过的待冷却介质例如水进行热交换，使介质冷却。为了从热交换管的传热表面上带走热量使管中的水即待冷却介质被冷却，制冷剂与热交换管相接触，散布在热交换管的表面上，使后者润湿，并在低压下蒸发。当散布在该热交换管表面上的制冷剂蒸发时，从传热表面上移走蒸发热，使管内的水或类似物被有效的冷却。因此，为了得到高性能的热交换管，需要尽可能地使制冷剂和热交换管之间的接触面积(即传热表面积)增大。
增加制冷剂和热交换管之间的接触面积可以通过增加热交换管的表面积和在散布冷却水润湿热交换管表面方面增强制冷剂的散布能力来达到。作为增加了表面积的普通的热交换管有带槽的管，它沿管的轴向在管的外表面上制成槽，还有矮翅片管，它是在管的外表面上具有环形的或螺旋形的翅片或翅片组。另一方面，在热交换管具有改善了的润湿和散布能力的情况下，存在表面处理过的管子，其具有光滑的外表面，还有外表面由钢丝刷抛光过的表面处理过的管子。而且，为了既能增加外表面积又能增强制冷剂的润湿和散布能力的热交换管，设计出一种高性能的热交换管，管上具有与其轴向对正的、在管外表面上排列的翅片上制成的切口(见1989年3月Shuichi Takada的“新的吸收冷冻机和热泵(3)”)。
然而上述的普通的热交换管存在下列问题：当管子是光滑的或外表面作了抛光处理时，在制冷剂落到管的表面时，制冷剂在靠近下落点的区域里，大面积地散布润湿管子的外表面。但是，随着制冷剂沿着热交换管的外表面向下流动时具有沿管轴向聚集的倾向，使润湿和散布能力较低。在用带槽的管时，由于制冷剂在管子轴向上沿槽流动，能获得大于上述表面处理过管的润湿和散布能力。但在相邻槽之间的脊部，不能获得润湿和散布能力。因而整个热交换管的传热面积不够大。另一方面，用矮翅片管时，在因管的外表面排列有翅片增加了管外表的表面积的同时，由于制冷剂在管的轴向上运动受到翅片的阻碍，制冷剂的润湿和散布能力变小。还有在翅片上制成切口的高性能的热交换管，使改善传热性能达到一定的水平，但没有使传热性能达到令人满意的水平。并且在近几年，需要更高性能的吸收型水冷却和加热装置。为了满足这种需要，迫切需要设计出具有进一步改善性能的高性能热交换管。
因此，本发明的一个目的是提供一种热交换管，该管用于降膜式蒸发器上，同普通的热交换管相比，该管具有良好的制冷剂润湿和散布能力，还有加大了的传热面积，从而提供了改进了的优越的传热性能。
为了达到上述的和其它的目的，按本发明制造的热交换管，在管子的外表面上具有与管的轴向成横向的或倾斜的翅片，在各翅片的顶端制有沿翅片延伸的延伸的槽部分。在翅片的顶端还制成多个切口，切口在管子的圆周方向上有预定的间距，并在与叶片的延伸方向成横向的方向上成一直线。
当制冷剂如水落在上述结构的热交换管上时，制冷剂滴被热交换管上的翅片接住，它沿槽在圆周方向上流动。制冷剂还沿成直线的切口在热交换管的轴向流动，制冷剂流过切口最后进入在翅片之间的底部，从管的上边流到下边。如上所述，按本发明的热交换管，由于制冷剂能通过在翅片的顶端形成的槽，在翅片的顶端按预定的间距在垂直方向形成的切口在管子的轴向和圆周方向上流动，所以在热交换管外表面流动的制冷剂将不会造成管表面上散布的制冷剂的局部聚集。这样，按本发明的热交换管由于具有翅片在制冷剂和管子间可以获得较大的接触面积，有效地利用了增加了的管的表面积，从而得到很好的传热性能。
热交换管的优选结构是热交换管的每米轴向长度需要要905至1102个翅片。无论是管的每米轴向长度所具有的翅片低于905个或多于1102个，制冷剂的润湿和散布能力都会降低，引起传热性能变差。所以翅片密度的优选范围是热交换管的每米轴向长度具有905至1102个翅片。
另一方面，翅片优选的高度是在0.2mm至0.8mm的范围内。无论翅片的高度是小于0.2mm或大于0.8mm，制冷剂的润湿和散布能力都会降低，因而，按本发明的热交换管上的翅片，其所需要高度为0.2mm至0.8mm。
还有，当由槽的两侧边限定的角度低于70°或大于150°时，制冷剂的润湿和散布能力变小。因此，由槽的相对的侧边限定的角度的优选范围是在70°至150°的范围内。
另外，在管的圆周方向上切口的优选间距是0.5mm到1.00mm。当切口的圆周方向的间距小于0.5mm时，制造切口遇到困难。另一方面，当切口的圆周方向的间距超过1.00mm时，制冷剂的润湿和散布能力变小，因而在翅片中顶端制成的切口的优选的间距范围是0.5mm至1.00mm。
注意在热交换管内可以制有沿其内周边延伸的一个肋条或多个肋条。每个肋条或肋条组可以用来使穿过管子的流体(如水)产生湍流，用以改善传热性能。在这种情况下，当肋条高度h与管的最大内径Di的比h/Di小于0.02时，不能获得由肋条产生的显著的湍流效果。另一方面，当h/Di大于0.04时，在制造肋条时遇到明显的困难，并且，当间距PR与Di比PR/Di小于0.4时，流过管子的冷却水或类似物的压力损失变得很显著，需要增加循环冷却水所用的泵的功率。还有，在PR/Di大于1.0时，不能得到显著的湍流效果，不可能改善传热性能。
综上所述，本发明的热交换管具有大的表面积，避免了冷却剂散布流过管子的外表面时产生的局部聚集，而且具有高的制冷剂润湿和散布能力。因此，本发明的热交换管具有显著的高传热性能。
从下面的详细描述以及从本发明的优选实施例的附图中，可以更充分地理解本发明。然而，不应该用这些附图限制本发明，而只用于解释和理解本发明。
在附图中：
图1是本发明用于蒸发器的热交换管的第一实施例的立体局部视图；
图2是本发明用于蒸发器的热交换管的第二实施例的立体局部视图；
图3A是表示测试热交换管的润湿和散布能力的设备的示意图；
图3B是表示制冷剂在热交换管上润湿和散布能力测试点的示意图；
图4是表示翅片数量和平均润湿长度之间的关系的曲线图；
图5是表示翅片高度和平均润湿长度之间关系的曲线图；
图6是表示在翅片顶端上制成的槽的边壁所限定的角度同平均润湿长度之间的关系的图；
图7是表示在翅片顶端部分上制成的切口的间距同平均润湿长度之间的关系的图；
图8是表示的热交换管的实施例的轴向截面图；
图9是所示的热交换管实施例同普通的热交换管之间传热性能比较的曲线图；
图10是所示的热交换管实施例的轴向截面图；
图11是表示h/Di和单管传热系数之间关系的曲线图；
图12是表示PR/Di和总传热系数之间关系的曲线图；
下面，将参照附图进一步讨论本发明的优选实施例。在下面的描述中，为彻底理解本发明进行多次具体说明。但是显然对本领域的普通技术人员来说，不作这些具体的详细描述也可实现本发明。另外，对熟知的结构不作详细描述是为了不使本发明变得含混不清。
图1是本发明用于降膜式蒸发器的热交换管的第一实施例的立体的局部视图。从图中可见在热交换管的外圆周上具有多个翅片1，它们与管的轴向成横向或倾斜。在优选的结构中，翅片1的数量是在管的单位长度(例如1mm)上有905至1102个。单个翅片1的高度在0.2至0.8mm的范围内。在翅片1的顶端制有槽3。由槽3的两内侧周边表面所限定的角度α在70至150°的范围内。在翅片1的顶端还制有与翅片1相垂直的切口2。切口2在圆周方向上的间距在0.5至1.0mm的范围内选择。各个翅片1的相应的切口2在管的轴向上成一直线，在相邻的翅片上的切口位于相应角度的位置上。
在用于降膜式蒸发器的热交换管的所示实施例中，从热交换管的上方落下的制冷剂如水被热交换管的上半部接住。制冷剂沿槽3在管子的圆周方向上流动。与此同时，落在这个热交换管上半部上的制冷剂也沿着切口2在管子的轴向上流动。在加工槽3的过程中，翅片1的顶端受压力以便使其在员向上稍稍凸出，形成图示的向外凸起的顶端结构。结果相邻翅片1之间的凹口端的距离变得小于原来没有槽3时的距离。因此被槽3分开的翅片1的凹口端之间的距离几乎与相邻翅片1的凹口端间的距离相等。这样能更有效地避免制冷剂在轴向上局部集中。如上所述，在用带槽的管时，为了获得高的润湿和散布能力，当制冷剂在管子轴向上沿槽流动，制冷剂从管子的上部向下流动到管子下部，制冷剂的局部聚集必然产生。在另一方面，在用矮翅片管时，可以成功地避免冷却剂的局部集中，但冷却剂固有的润湿散布能力变小了，这是由于在管子轴向上冷却的流动被多个翅片阻挡了。与这些已有技术相反，因为除沿在圆周方向上伸出的翅片1延伸的槽3外，还制有在轴向上成直线的切口2，所以制冷剂可以在轴向上大面积地分散或扩散，避免了制冷剂在从管子的上部流到下部时进行聚集。
所示的用于降膜式蒸发器的热交换管的实施例，通过在管的外周设置翅片使管子有大的传热面积，而且通过提供高的润湿和散布能力获得冷却剂和管子之间大的接触面积。因此，这个实施例的热交换管能够达到相当高的传热效率。
图2是本发明的用于降膜式蒸发的热交换管的第二实施例的局部立体视图。
所示的实施例的热交换管与第一实施例的不同之处在于有肋条4，该管的其它结构与第一实施例的基本上相同。在图2中，同样的标号代表图1中的同样的零件。
在这个所示实施例中可以看出，肋条4位于管的内表面。在图示的结构中，肋条是以绕管轴线的螺旋的方式延伸的。优选的尺寸为：该肋条的高度在0.25至0.5mm的范围内，沿该管的内表面每圈螺旋的肋条数目为8至30个，肋条4的高度h与最大内直径Di的比h/Di在0.02到0.04的范围内，该肋条的间距PR与Di的比PR/Di在0.4到1.0的范围内。
在所示的用于降膜式蒸发器的热交换管的实施例中，由于肋条4位于该管的内表面上，并与轴向倾斜，所以在管内产生了流体的湍流，改善了管内的传热性能。因而，同上所述的第一实施例比较，这个用于降膜式蒸发器的热交换管的实施例可以获得更好的传热性能。
下面将讨论热交换管的所示实施例实际产生的润湿和散布能力及传热性能的试验结果，即为了实验制造出了图1所示的用于降膜式蒸发器的热交换管的第一样品和具有不同翅片形状的比较样品，对于样品和比较样品，是在同样的实际装配状态下进行比较试验的，例如，热交换性能等等。
下表1中给出降膜式蒸发器的热交换管的样品和比较样品的尺寸，应该注意在表1中“原有管部分”一词是代表部分管，例如轴端部分，该部分没有翅片。还需要注意的是所有试验用的管子都是由一种钢管(C1201；JISH3300)制成的。
还有要注意的是样品2、3和4比较样品1和5是一组样品，它们除去翅片多少不同，结构和尺寸相同。样品6、7、8和9以及比较样品10是一组样品，它们相互的区别在于翅片的高度。样品13和14以及比较样品12和15是一组样品，其中，由槽的内壁限定的角度α不一样。样品16、17和18和比较样品19是一组样品，其中切口的排列间距不相同。应该注意比较样品11是一个光滑的、没有翅片的管。
                                  表1
  样品管   原有管部分               加工的部分
  外径   厚度(mm)   (mm)     翅片数量(/lm)   翅片高度(/mm)   槽角度(°)   切口间距(mm)
  对比件1样  品2样  品3样  品4样  品5   16     1.016     1.016     1.016     1.016     1.0     748906102411021339   0.50.50.50.50.5   9090909090   0.620.620.620.620.62
  样  品6样  品7样  品8样  品9对比件10   16     1.016     1.016     1.016     1.016     1.0     10241024102410241024   0.20.30.50.81.0   9090909090   0.620.620.620.620.62
  对比件11   16     1.0     -   -   -   -
  对比件12样  品13样  品14对比件15   16     1.016     1.016     1.016     1.0     1024102410241024   0.50.50.50.5   4090120160   0.620.620.620.62
  样  品16样  品17样  品18对比件19   16     1.016     1.016     1.016     1.0     1024102410241024   0.50.50.50.5   90909090   0.500.620.821.20
关于这些样品的润湿和散布能力被测试出来。图3A是一幅用于测试润湿和散布能力试验设备的示意图。为了除去样品表面上的油脂，将样品放入三氯乙烷中浸渍一小时。而后，在氧化气氛下，进行加热工序，加热温度200°，时间一小时。将处理过的样品10按水平轴向定位。将滴管7固定在样品管的上方，使滴管7的顶端大至位于样品的中心部位的上方距离20mm之处。把用墨水染色的水注入滴管7。通过调节开关9，使2cc的带颜色的水滴到样品管10上面。然后，在图3B所示的位置，测出润湿和散布的长度，而且从测量的结果中推导出润湿和散布的平均值。图4是一幅曲线图，水平轴上的刻度代表每25.4mm的翅片的数量，平均润湿和散布长度用纵轴表示，曲线给出它们之间的关系。如图所示，最佳的润湿和散布长度是在每25.4mm上有接近25个翅片处(即每米980翅片)。在每25.4mm上有23至28个翅片的范围内(近似为每米905至1102个翅片)得到了足够长的润湿和散布长度。
图5给出一幅曲线图，表示出翅片高度和平均润湿和散布长度的曲线关系，水平轴表示翅片的高度，用垂直轴表示平均润湿和散布长度，从图5中可以清楚的看出，较矮的翅片高度得到较长的润湿和散布长度。但是当翅片高度小于0.2mm时，润湿和散布长度突然减少。翅片高度在0.2至0.8mm的范围内，能获得令人满意的润湿和散布长度。
图6为一幅曲线图，表示了角度α和平均润湿和散布长度之间的曲线关系，α由槽的内壁限定。用水平轴表示角度α，用纵轴表示平均润湿和散布长度。如图所示，在α为90°时，获得最佳润湿和散布长度。当角度少于70°和大于150°时，润湿和散布长度变得不令人满意。
图7是一幅表示切口的径向间距和平均润湿和散布长度的曲线关系图，用水平轴表示切口的径向间距，用垂直轴表示平均润湿和散布长度。如图所示，较小的切口间距获得较长的润湿和散布长度。当间距超过1.0mm时，润湿和散布长度变得短得不能被接受。而且，比0.5mm更短的切口间距，很难应用于实际。
随后测量所示样品和比较样品的蒸发性能，这些样品是降膜式蒸发器用的热交换管。即本发明的热交换管样品按下表2所示的尺寸生产。需要注意的是样品20和21与上述样品3、8、13和17有相同的结构。
                                  表2
  样品管   原有管部分                    加工管部分
样  品20样  品21在先技术22在先技术23   外径  厚度(mm)  (mm)     翅片数量(/lm)     翅片高度(mm)     槽角度(°)     切口间距(mm)
  16    1.116    1.116    1.116    1.1     102410241417-     0.50.31.0-     9090--     0.620.62--
测试了这些样品的蒸发性能。图8表示了用来测试蒸发性能的测试设备。样品被排成单列X级。在样品管组15的上方，装有制冷剂排出口12。为了使冷却水在样品管中循环，样品管组15较低的一端连接在冷却水进水口13上。另一方面，样品管15的上端连接于冷却水出口14上。在所示的测试设备中，装有一个吸收部分11用来调节设备中的蒸气压力。在这个试验中，水做为制冷剂。靠吸收部分11调节该设备中的蒸发压力，使在冷却水入口B的冷却水温接近12°，在冷却水出口的冷却水温度接近7℃。在蒸发器管中冷却水的流速为1.5米/秒。在调整好冷却水初始温度状态和该设备内部的温度后，由制冷剂排出管口把制冷剂散布在样品管组15上，冷却剂的流速为0.7至1.3立升/米·分钟，然后测量传热性能。
图9给出制冷剂下落速度(立升/米·分钟)和总传热系数(千卡/米2·小时·℃)的曲线关系。其中用横轴表示制冷剂的下落速率，用垂直轴表示总传热系数。从图9中可以看出，样品20具有的单管的传热系数比已有技术光滑管的样品23的单管的传热系数大2.2倍，也大于已有技术矮翅片管样品23的单管的传热系数。另一方面，样品21具有总传热系数是已有技术的样品23的2.3倍，因而给出比样品20的传热性能更高的传热性能。
下面，测试在管的内周壁上带有肋条的样品管的蒸发性能。该管的外形与样品6相同，沿管轴线长度每1m具有翅片1024个(每英寸26排)，翅片高度0.3mm，由槽的内壁限定的角度是90°，切口的间距是0.62mm，测试传热性能时，改变管内的肋条结构。传热的蒸发条件是：制冷剂排量1.0立升/米·分钟，在冷水入口处的冷却水温度接近12℃，在冷水出口处的冷却水温度接近7°，冷却水的流速是1.5米/秒。
图11表示了h/Di和总传热系数之间的关系，其中用横轴表示h/Di，用垂直轴表示总传热系数。这里PR/Di在0.43至0.86范围内，当h/Di小于0.02时，总传热系数的减少的速率变大。另一方面，当h/Di大于0.04时，遇到制造上的困难。因而，通过使h/Di保持在0.02至0.04的范围内，总传热系数增加了，而进行制造时没有困难。应该指出使h/Di保持在0.022至0.035范围内更佳。
图12表示出总传热系数和压力损失。这里使h/Di保持在0.03。当PR/Di变得小于0.4时，压力损失的增加大于总传热系数的增加。另一方面，当PR/Di大于1时，总传热系数明显降低。所以，PR/Di最好选在0.4至1.0的范围内。
尽管本发明对其实施例进行图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，在不超出本发明的原则和范围的情况下，这些技术方案可进行技巧性的变化、减少和添加。因此，本发明不能被理解为仅限于上述具体的实施例，而应理解为包含所有可能的实施例，这些实施例体现在权利要求的技术特征所包括的范围内。

Claims (2)

1.一种膜式蒸发器用的热交换管，包括：
一个管体；
在所述管体的外圆周上与管轴线方向成横向或相倾斜的方向延伸的翅片，所述翅片的密度在轴向上为每米905至1102个，所述翅片的高度在0.2至0.8mm的范围内；
在所述翅片的顶端加工出的基本上沿所述翅片延伸的槽，所述槽的相对内表面之间所限定的角度范围在70°至150°之间；
在所述翅片的所述顶端加工出的沿翅片的横向成直线的切口，所述切口在所述管体的圆周方向上具有的间距在0.5至1.0mm的范围内。
2.一种按权利要求1所述的降膜式蒸发器用的热交换管，它还包括在所述管体的内圆周表面上具有至少一个肋条，所述肋条在与管轴向相倾斜的方向上延伸，所述肋条的高度h与所述管的最大的内径Di的比h/Di在0.02至0.04的范围内，所述的肋条的间距PR与所述管的最大内径的比PR/Di在0.4至1.0的范围内。
CN94109176A 1993-07-07 1994-07-07 用于降膜式蒸发器的热交换管 Expired - Lifetime CN1088184C (zh)

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