CN109196297A - 热交换器管 - Google Patents

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CN109196297A CN201780034230.1A CN201780034230A CN109196297A CN 109196297 A CN109196297 A CN 109196297A CN 201780034230 A CN201780034230 A CN 201780034230A CN 109196297 A CN109196297 A CN 109196297A
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罗纳德·卢茨
珍妮·厄尔·哈加尔
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Abstract

本发明涉及具有纵管轴线(A)的热交换器管(1)；轴向平行或螺旋圆周的连续翅片(3)从外管面(21)和/或内管面(22)上的管壁(2)形成，并且连续的初级凹槽(4)在相邻的翅片(3)之间形成；翅片(3)在外管面(21)和/或内管面(22)上具有至少一个结构化区域，所述结构化区域设置有从表面突出并且具有高度(h)的多个突起(6)，使得突起(6)由切口(7)分离。根据本发明，突起(6)被布置在多个组(10)中，该组沿翅片的延伸部周期性地重复。此外，在该组(10)内突起(6)之间的至少两个切口(7)具有在翅片(3)中变化的切口深度。

Description

热交换器管
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的热交换器管。
在制冷和空调技术以及在处理和能源技术的许多领域中都发生热交换。在这些领域中，管束式热交换器经常用于交换热量。在许多应用中，根据热流方向而被冷却或加热的液体这里在内管面上流动。热量被输出到位于外管面上的介质或由此被提取。
众所周知，在管束式热交换器中使用结构化管，而非光滑管。通过结构改进了热传递。通过此提高了热流量密度，并且可以更紧凑地构造热交换器。替代地，可以保持该热流量密度并且可以降低驱动温差，由此，在能量方面更有效的热传递是可能的。
被构造在管束式热交换器的一面或两面上的热交换器管通常具有至少一个结构化区域和光滑端部件以及可能地光滑中间部件。光滑端部件或中间部件界定该结构化区域。因此管可以很容易地安装在管束式热交换器中，结构化区域的外径不应大于光滑端部件和中间部件的外径。
整体轧制的翅片管常常用作结构化热交换器管。整体轧制的翅片管被理解为如下的翅片管，其中翅片已经由光滑管壁的材料形成。在许多情况下，翅片管在内管面上具有多个轴向平行或螺旋圆周的连续翅片，这使得内表面更大并改进了内管面上的热传递系数。在其外表面上，翅片管具有围绕环形或螺旋形行进的翅片。
在过去，根据应用，通过在外管面上为翅片提供进一步结构特征，研发了进一步提高整体轧制翅片管的外表面上热传递的许多可能方法。例如从US5,775,411可知，当外管面上发生制冷剂的冷凝时，如果翅片侧具有额外的凸侧面，热传递系数明显地增加。当外管面上的制冷剂蒸发时，已经发现改进局部关闭位于翅片之间的管道的效率，结果是产生了通过小孔或缝隙与环境相连的空腔。如从大量文献中已知的，通过弯曲或折叠翅片(US3,696,861，US5,054,548)、通过分裂和压缩翅片(DE 2 758 526 C2、US4,577,381)以及通过开槽和压缩翅片(US4,660,630、EP 0 713 072 B1、US4,216,826)，生产这种基本封闭的管道。
外管面上的上述性能改进导致整体热传递阻力的主要部分移动到内管面。这种效应特别地在内管面上以低流速发生，诸如例如在部分负荷运行过程中。为了显著地减少整体热传递阻力，需要在内管面上进一步增加热传递系数。
为了增加内管面的热传递，轴向平行或螺旋圆周的内翅片可设置有凹槽，如文献DE 101 56 374 C1和DE10 2006 008 083 B4所述。这里很重要的是，由于使用了这里公开的用于产生内翅片和凹槽的轮廓轧制芯轴，翅片管的内部结构和外部结构的尺寸可彼此独立地设置。因此，外面和内面上的结构可适配相应的要求，并且能够相应地成形该管。
在此背景下，本发明的目的是以如下方式研发上述类型的热交换器管的内部结构和外部结构，使得与已知管相比实现性能的进一步提高。
通过权利要求1的特征实现了该目的。进一步返回参考的权利要求涉及本发明的有利实施例和进展。
本发明包括一种具有纵管轴线的热交换器管，其中轴向平行或螺旋圆周的连续翅片由外管面和/或内管面上的管壁形成，在相应地相邻的翅片之间形成连续延伸的初级凹槽，翅片在外管面和/或内管面上具有至少一个结构化区域，并且所述结构化区域具有从具有突起高度的表面突出的多个突起，由此突起由切口结构分离。根据本发明，这些突起被布置在沿翅片轮廓周期性地重复的多个组中。此外，至少两个切口结构在该组内的突起之间形成，其中在一个翅片中具有变化的切口深度。
该结构化区域原理上在这里可在外管面或内管面上形成。然而，将根据本发明的翅片分段布置在管的内部是优选的。所述的结构可用于蒸发器管以及用于冷凝器管。
突起高度被方便地限定为在径向方向上突起的尺寸。突起高度然后是从管壁开始直到在径向方向上最远离管壁的突起的位置的距离。
切口深度是在径向方向上从初始翅片顶端开始直到切口最深点所测量的一段。换句话说：切口深度是在初始翅片高度和在切口最深点保留的残余翅片高度之间的差值。
变化的切口深度也等同于交替并因此改变距管壁的距离的切口的相应最深位置。同样与此等同的是，切口的相应最深点—这里称为切口底部—在距纵管轴线的距离中在翅片方向上的连续切口上交替。
本发明这里基于以下的思想，即不同的切口深度基本上导致这些突起彼此不同的高度、定向和形状。这些突起因此偏离一个规定的顺序。这进而导致在单相流过程中以最低可能的压力损失优化热传递，因为阻碍良好热传递的流体边界层被另外产生的湍流所中断。
与这些突起的均匀同质布置相比，边界层的该目标中断对热传递系数具有特别正面的效果。通过设置适合的切割刀或切割几何形状以及通过单独地适配的翅片形状和几何形状，可适配这些突起的形状、高度和布置。
另一方面，在层流区域中，这些突起导致不规则地浸入到层流核心内并且因此优化地引导热从管壁到层流核心以及从层流核心到管壁。根据本发明，通过根据本发明的该解决方案的不同切割深度以及突起定向实施了对于湍流和层流形式的这些优化。
至少邻近一个突起的切口结构在该切口深度中有利地变化至少10％。切口深度的变化可更优选地为至少20％或甚至50％。因此，获得了不同高度的突起，其进而导致边界层的中断和湍流的增加，以及因此热传递系数的提高。
在本发明的一个有利实施例中，最大的切口深度可至多延伸直到管壁。这导致边界层的中断以及湍流的增加。这导致热传递系数的提高。延伸到管壁内的切口结构相当不利并且可导致管壁中材料的不期望削弱，而另一方面对热传递系数不具有明显地进一步正面的效果。
在本发明的一个优选改进方案中，通过以相对于翅片轮廓横向地切割深度对内翅片切割而形成翅片分段，以及通过沿翅片轮廓在主方向上升高翅片分段，切口结构在初级凹槽之间形成。
可通过使用在DE 603 17 506 T2中已经描述的工具，生产根据本发明的热交换器管的方法相关结构。该文献DE 603 17 506 T2的公开内容完全地包含在当前文献中。因此，可根据要求，例如液体的粘度或流速，变化地构造和单独地适配突起高度和距离。
所使用的工具具有用于在管的内表面上切割翅片以形成翅片分段的切割边缘以及用于升高翅片分段以形成突起的升高边缘。以这种方式，在不从管的内表面移除金属的情况下形成突起。可以在相同的加工步骤或不同于翅片形成的加工步骤中形成管内表面上的突起。
因此，突起高度和距离可以变化的方式构造并且单独地适配所讨论流体的要求，例如在液体的粘度或流速方面。
在本发明的一个有利实施例中，至少一个突起可沿翅片轮廓在初级凹槽上从主方向突出。这提供了如下优点，通过突出到初级凹槽内的该突起，所形成的边界层在翅片之间的中间空间中被中断，这导致改进的热传递。
翅片的子分段有利地在多个组之间保持不变。由于边界层中断所导致的对热传递的进一步正面影响可源于以下的事实，不同的子分段/分组以及交替地变化的翅片形式放大了上述效应。
在本发明的一个优选的实施例中，多个突起可具有在最远离管壁的位置，平行于纵管轴线的表面。
在一个特别优选的实施例中，突起可以在突起高度、形状和定向方面彼此相对地变化。因此，单独突起可选择性地适配并且可彼此相对地变化，因此在层流的情况下，由于不同的翅片高度，它们浸入到流体的不同边界层内，从而转移热量到管壁。突起高度和间隔可因此单独地适配这些要求，例如液体的粘度，流速等。
在本发明的进一步有利改进方案中，突起在面对远离管壁的面，可具有行进到点的顶端。在使用两相流体的冷凝器管的情况下这导致在突起顶端的最佳冷凝。
在本发明的一个有利改进方案中，突起可以在面对远离管壁的面上具有弯曲顶端，其局部曲率半径随着距离增加而从管壁开始减小。这具有如下的优点，由于凸曲率，在突起顶端产生的冷凝物更快地被输送到翅片脚部，并且当液化发生时，因此优化了热传递。在相变时，这里特别地当液化发生时，重点是蒸汽的液化以及从顶端到翅片脚部传导远离冷凝物。凸形弯曲的突起形成一种用于此的有效热传递的理想基础。突起的基础在这里基本上径向地从管壁突出。
在本发明的一个有利改进方案中，突起沿纵管轴线从管的起点直到相反定位的管的末端可具有不同的形状和/或高度。这里的优点是靶向设置从管起点到管的末端的热传递。
至少两个突起的顶端可有利地沿翅片轮廓彼此接触或彼此交叉，这在可逆操作模式的相变过程中特别地有利，因为突起从用于液化的冷凝物之外突出很远并形成一类用于蒸发的空腔。
在本发明的一个优选实施例中，至少两个突起的顶端在初级凹槽上彼此接触或彼此交叉。这进而在可逆操作模式的相变过程中是有利的，因为突起从用于液化的冷凝物之外突出很远并形成一类用于蒸发的空腔。
在一个特别优选的实施例中，至少一个突起可以通过如下方式成形，使得其顶端与内管面或外管面接触。特别地在可逆操作模式的相变过程中，这很有利，因为用于液化的突起形成一类用于蒸发的空腔以及因此形成气泡核点。这在蒸发过程中导致增加的热传递系数。
以下参照示意图更详细地解释本发明的示例性实施例。
在附图中：
图1示出了管的细节的示意性斜视图，其中本发明的结构在内管面上；
图2示出了具有不同切口深度的翅片分段的示意图；
图3示出了具有在初级凹槽上突出的结构元件的翅片分段的示意图；
图4示出了具有突起的翅片分段的示意图，所述突起在翅片方向上在顶端弯曲；
图5示出了具有突起的翅片分段的示意图，所述突起在最远离管壁的位置具有平行表面；
图6示出了具有沿翅片轮廓彼此接触的两个突起的翅片分段的示意图；
图7示出了具有沿翅片轮廓彼此交叉的两个突起的翅片分段的示意图；
图8示出了具有在初级凹槽上彼此接触的两个突起的翅片分段的示意图；
图9示出了具有在初级凹槽上彼此交叉的两个突起的翅片分段的示意图。
相互对应的部件在所有附图中具有相同的附图标记。
图1是热交换器管1的管细节的示意性斜视图，其中本发明的结构在内管面22上。热交换器管1具有管壁2、外管面21和内管面22。从在内管面22上的管壁2形成螺旋圆周的连续翅片3。纵管轴线A相对于翅片3以一定角度行进。在相应地相邻的翅片3之间形成连续延伸的初级凹槽4。
突起6在多个组10中形成，该组沿翅片轮廓周期性地重复。通过以相对于翅片轮廓横向地切割深度对翅片3切割以形成翅片分段，以及通过沿翅片轮廓在主方向上升高翅片分段，突起6在初级凹槽4之间形成。切口结构7在该组10内的突起6之间形成，其中在一个翅片3中具有变化的切口深度。
图2示出了具有不同切割深度或切口深度t1、t2、t3的翅片分段31的示意图。术语切割深度和切口深度在本发明的范围内表达相同的概念。突起6具有通过翅片3交替变化的切割深度t1、t2、t3。初始成形的螺旋圆周翅片3在图2中由虚线表示。通过以相对于翅片轮廓横向地切口/切割深度t1、t2、t3对翅片3切割以形成翅片分段，以及通过沿翅片轮廓在主方向上升高翅片分段，突起6从所述翅片3形成。因此在径向方向上在初始翅片的切口深度测量不同的切口/切割深度t1、t2、t3。
突起高度h在图2中被方便地限定为在径向方向上突起的尺寸。然后，突起高度h是从管壁开始直到在径向方向上最远离管壁的突起上的点的距离。
切口深度t1、t2、t3是在径向方向上从初始翅片顶端开始远至切口最深点测量的距离。换句话说，切口深度是在初始翅片高度和在切口最深点保留的残余翅片高度之间的差值。
图3示出了一种具有结构元件6的翅片分段31的示意图，所述结构元件6在初级凹槽4之上突起。这是一种沿翅片轮廓从主方向延伸的突起6，其中顶端62在初级凹槽4之上。突起被制成越宽，在翅片中间空间中形成的流体的边界层的中断就越强烈，这导致改进的热传递。
图4示出了一种具有突起6的翅片分段31的示意图，所述突起6在翅片的方向上在顶端62弯曲。突起6在弯曲顶端62具有变化的曲率轮廓。在这种情况下，随着距离的增加，局部曲率半径从管壁开始减小。换句话说：曲率半径沿通向顶端的线变得更小，所述线由点P1、P2、P3表示。这具有如下的优点，在两相流体的情况下，在顶端62产生的冷凝物通过增加的凸起曲率更快地输送到翅片脚部。这优化了当液化发生时的热传递。
图5示出了具有突起6的翅片分段31的示意图，所述突起在顶端62区域中在最远离管壁的位置具有平行表面61。
图3到5示出的翅片分段31可单独地集成或另外大量地集成到相应组内。
图6示出了具有沿翅片轮廓彼此接触的两个突起6的翅片分段31的示意图。此外，图7示出了具有沿翅片轮廓彼此交叉的两个突起6的翅片分段31的示意图。图8也示出了具有在初级凹槽4之上彼此接触的两个突起6的翅片分段31的示意图。图9示出了具有在初级凹槽4之上彼此交叉的两个突起6的翅片分段31的示意图。
对于图6到9所示的结构元件，具体地在具有两相流体的可逆操作模式中，它们形成一类用于蒸发的空腔是有利的。该特定类型的空腔形成蒸发流体的气泡核的起始点。
附图标记列表
1 热交换器管
2 管壁
21 外管面
22 内管面
3 翅片
31 翅片分段
4 初级凹槽
6 突起
61 平行表面
62 顶端
7 切口结构
10 突起群
A 纵管轴线
t1 第一切割深度
t2 第二切割深度
t3 第三切割深度
h 突起高度

Claims (14)

1.一种具有纵管轴线(A)的热交换器管(1)，其中
—轴向平行或螺旋圆周的连续翅片(3)从外管面(21)和/或内管面(22)上的管壁(2)形成，
—在相应地相邻的翅片(3)之间形成连续延伸的初级凹槽(4)，
—翅片(3)在外管面(21)和/或内管面(22)上具有至少一个结构化区域，
—结构化区域具有从具有突起高度(h)的表面突出的多个突起(6)，其中相邻的突起(6)由切口结构(7)分离，
其特征在于，
突起(6)被布置在多个组(10)中，该组沿翅片轮廓周期性地重复，以及
—至少两个切口结构(7)在该组(10)内的突起(6)之间形成，其中在一个翅片(3)中具有变化的切口深度(t1、t2、t3)。
2.根据权利要求1所述的热交换器管(1)，其特征在于，至少邻近一个突起(6)的切口结构(7)在该切口深度(t1、t2、t3)中变化至少10％。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器管(1)，其特征在于，最大切割深度(t1、t2、t3)至多延伸直到管壁(2)。
4.根据权利要求1到3之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，通过以相对于翅片轮廓横向地切割深度(t1、t2、t3)对内翅片(3)切割而形成翅片分段，以及通过沿翅片轮廓在主方向上升高翅片分段，切口结构(7)在初级凹槽(4)之间形成。
5.根据权利要求1到4之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，至少一个突起(6)沿翅片轮廓在初级凹槽(4)之上从主方向突出。
6.根据权利要求1到5之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，翅片(3)的子分段(31)在多个组(10)之间保持不变。
7.根据权利要求1到6之一所述的换热管(1)，其特征在于，多个突起(6)在最远离管壁(2)的位置具有平行于纵管轴线(A)的表面(61)。
8.根据权利要求1到7之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，突起(6)在突起高度(h)、形状和定向方面彼此相对地变化。
9.根据权利要求1到8之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，突起(6)具有在面对远离管壁(2)的面行进到一个点的顶端(62)。
10.根据权利要求1到9之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，突起(6)在面对远离管壁(2)的面具有弯曲顶端(62)，该弯曲顶端的局部曲率半径从管壁(2)开始随着距离增加而减小。
11.根据权利要求1到10之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，突起(6)具有沿纵管轴线(A)从管的起点直到相反定位的管的末端的不同形状和/或高度。
12.根据权利要求1到11之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，至少两个突起(6)的顶端(62)沿翅片轮廓彼此接触或彼此交叉。
13.根据权利要求1到11之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，至少两个突起(6)的顶端(62)在初级凹槽(4)之上彼此接触或彼此交叉。
14.根据权利要求1到13之一所述的热交换器管(1)，其特征在于，至少一个突起(6)以如下方式成形，使得其顶端(62)与内管面(22)或外管面接触。
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