CN1092327C - 混合制冷剂用传热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高传热性能的传热管，该传热管用于使用混合制冷剂进行冷冻循环的冷凝器或蒸发器中，在该传热管的内面设有交叉的主槽和付槽，沿主槽方向的槽顶被付槽断开而形成为突起，该突起的长度比其宽度长，并且，付槽的宽度比突起的长度小，付槽是沿管内压力梯度变小的方向形成的。

Description

混合制冷剂用传热管

本发明涉及以混合制冷剂作为工作流体的冷冻机、空调机等中所用的热交换器，特别涉及一种冷凝器或蒸发器或适合用于其中的传热管。

现有技术中，采用HCFC-22(氢氯氟烃-22)等单一制冷剂的冷冻机、空调机的热交换器用传热管，除了光滑的管以外，还有一种如图17所示的内面带有单一螺旋槽的管。

这种内面带单一螺旋槽的管对于单一制冷剂来说，具有很好的传热性能，但对于趋向于代替HCFC-22的混合制冷剂来说，却得不到采用单一制冷剂时的效果。图18表示采用现有的带内面螺旋槽管子时的冷凝热传导率比较。曲线a表示在内面带单一螺旋槽管内使用单一制冷剂时的实验结果，曲线b表示在内面带单一螺旋槽的管子内使用混合制冷剂时的实验结果。从图18可知，使用混合制冷剂时的冷凝热传导率比使用单一制冷剂时明显降低，尤其是当质量速率小时，降低得更加显著。在该实验中，所用的混合制冷剂是由30％重量的HFC-32(氢氟烃)、10％重量的HFC-125和60％重量的HFC-134a混合而成的。

在日本专利公报特开平3-234302号中公开了一种使用单一制冷剂的传热管，该管带有由主槽和付槽交叉形成的交叉槽。使用单一制冷剂的传热管，除了这种以外，在现有技术中虽然也提出过具有各种内部形状的传热管，但是，对于非共沸混合制冷剂用传热管来说，具有什么样的内部形状能得到最好的传热效率，是现有技术中正在探讨的问题。

本发明的目的在于提供一种使用混合制冷剂并具有高传热性能的传热管。

为了实现本发明的目的，本发明的传热管，用于使用混合制冷剂进行冷冻循环的冷凝器或蒸发器，其特征在于，在该传热管的内面交叉地设有的主槽和付槽，沿主槽方向的槽顶被付槽断开而形成为突起，该突起的长度比其宽度长，而且付槽的宽度比该突起的长小，副槽相对于主槽在±5度范围内扭转。

在该传热管中，副槽最好基本平行于管轴。

在该传热管中，也可以在主槽的突起上形成凸状变形部分，以便使沿主槽流动的制冷剂流拐向付槽方向。

在上述各传热管中，也可以使主槽相对于管轴倾斜7度到25度。

由于上述的构造，在本发明的传热管中，制冷剂的流动被引导拐向付槽方向，该制冷剂流被引入宽度小于突起长度的付槽内，所以，浓度边界层被断开，从各突起的前端形成新的浓度边界层。其结果，不减少传热面积，对于混合制冷剂能实现高热传导率。

图1是表示在本发明第1实施例的带交叉槽传热管中，制冷剂在槽附近流动的图。

图2是图1所示带交叉槽传热管的纵断面图。

图3是表示图2所示传热管的槽的浓度边界层的图。

图4是表示一种带交叉槽传热管的槽间浓度边界层的图，该传热管槽顶方向的突起的间隔大。

图5是本发明第2实施例的带交叉槽传热管的纵断面图。

图6是表示图5所示传热管的槽间浓度边界层的图。

图7是表示本发明第2实施例中的付槽扭转角度与热传导率的关系图。

图8是表示本发明第2实施例中的交叉角度0与扭转角度β的关系图。

图9是现有技术中的带单一槽传热管与本发明第2实施例的带交叉槽传热管的性能比较图。

图10是表示本发明第3实施例的带交叉槽传热管的槽间浓度边界层的图。

图11是本发明第3实施例传热管的纵断面图。

图12是使用本发明传热管的交叉翅管形热交换器的立体图。

图13是使用HCFC-22的现有带槽传热管与使用混合制冷剂的本发明传热管的性能比较图。

图14是采用本发明传热管的热交换器的制冷剂的热传导率变化图。

图15是采用本发明传热管的热交换器中，制冷剂通路布置之一例的侧面图。

图16是表示图15所示热交换器的制冷剂通路数变化的示意图。

图17是现有传热管的横断面图。

图18是现有的传热管使用单一制冷剂和混合制冷剂的性能比较图。

图19是表示在现有传热管中，制冷剂在槽附近流动的立体图。

图20是现有传热管的纵断面图。

图21是表示现有传热管的槽间浓度边界层的图。

下面，参照附图说明本发明的实施例。

在说明本发明的实施例之前，用图17至图21说明现有技术中存在的问题。图17是通常的空调用热交换器中所使用的、内面带螺旋槽传热管的横断面图。在该带槽的管内，混合制冷剂(例如由HFC-32、HFC-125、HFC 134a三种混合而成的混合制冷剂)流经并冷凝。

图20中表示流经管内的制冷剂气体的方向。管中心附近的制冷剂气体从制冷剂入口4a向制冷剂出口4b的方向流动，但管壁附近的制冷剂气体被主槽1a及主槽的槽顶1b引导而向主槽1a的方向流动。

在混合制冷剂中，由于存在较易冷凝的制冷剂和较不易冷凝的制冷剂，所以，较易冷凝的制冷剂先冷凝成为液体，而较不易冷凝的制冷剂气体仍以气体形式存在而形成浓度边界层。如图20所示，浓度边界层5沿主槽1a形成。该浓度边界层5是连续的，所以如图21所示那样逐渐变厚，它妨碍较易冷凝的制冷剂向管壁扩散。其结果，冷凝热传导率降低。

为了解决上述问题，改善混合制冷剂的冷凝热传导率降低，断开浓度边界层5是个有效的办法，为此，本申请中提出了使用带交叉槽传热管的方案。本申请第1实施例的传热管如图1所示，在该带交叉槽传热管的内面，设有主槽1a和与主槽1a交叉的付槽2a，主槽1a的槽顶1b被付槽2a断开，形成三维的突起3。该突起3的长度比其宽度大；付槽的宽度比突起的长度小，也比主槽的宽度小；以便加大沿主槽方向的制冷剂流量。制冷剂从制冷剂入口4a向制冷剂出口4b方向流动，付槽2a沿着其管中心部的压力梯度变小的方向形成。

图2是图1所示带交叉槽传热管的纵断面图，箭头6表示制冷剂的流动方向。即，主槽1a的槽顶1b被付槽2a断开而形成三维的突起3，该突起3的方向与主槽1a的方向一致，制冷剂流的大部分在长的槽顶处围绕着其两侧，并朝向宽度大的主槽1a的方向6流动，其余的制冷剂朝着付槽2a的方向即箭头7的方向流，如图2所示，一些制冷剂朝着付槽方向流，对混合制冷剂的性能降低有所改善。

但是，如图3所示，沿图2的三维突起3形成的浓度边界层5。在付槽的宽度小的情况下，浓度边界层与单一槽时的情形一样，是逐渐变厚的，因此不能充分发挥该三维突起的作用，即不能断开沿主槽流动的制冷剂流。

为了充分发挥三维突起3的作用，图4所示的方法是，把付槽的宽度做得比突起的长度大，在突起之间设定较长的距离。用这种方法，能从三维突起的前端形成新的浓度边界层。但是，其不利的一面是，由于传热面积减少，其综合性能并未提高，所以，这一方法不是很理想的方法。

下面，说明本发明最佳实施例的构造，该实施例的传热管，即使用窄的付槽2b也能引导沿付槽2b流动的制冷剂流7。

用图5和图6说明本发明的第2实施例。图6是表示本实施例的带交叉槽传热管的槽间浓度边界层的图。从图6可见，付槽2b平行于管轴。在传热管中心附近流动的制冷剂从制冷剂入口4a的方向朝着制冷剂出口4b的方向流动，该方向与管轴方向一致。因此，制冷剂沿管轴方向流动。由于付槽2b平行于管轴，在付槽内流动的制冷剂增加，把在主槽1a方向6上形成的浓度边界层断开。因此，如图6所示，从各三维突起3分别形成新的浓度边界层5，可得到高的冷凝热传导率。这时，如图5的传热管纵断面图所示，管壁附近的制冷剂在沿管轴设置的付槽内流动。

这里，探讨一下本发明的主槽和付槽的关系。当主槽的扭转角β1为20度、把主槽和付槽的交叉角度0、或付槽的扭转角度β2作为横轴表示热传导率时，即如图7所示的曲线。曲线f是当付槽的扭转角度β2为0度时，即、付槽平行干管轴时具有最大值。之所以具有该最大值，有下述原因。

流入付槽的制冷剂量如曲线g所示，当主槽和付槽的交叉角度0越小，制冷剂流入量则越增加，同时，热传导率提高。但是，付槽的扭转角度β2变小甚至变为负值时，如图8所示，主槽和付槽几乎不再交叉。其结果，三维突起的长度变长，热传导率降低。图7的曲线h表示了该倾向。由于曲线g和曲线h为相反的倾向，把两者的影响叠加，则成为曲线f，具有极大值。因此，严格地说，付槽的扭转角度β2不必设定为0度，距管轴土5度左右范围内的扭转角度就能足以保持高性能。

图9是第2实施例的一个实验结果，曲线b是现有的带单一槽传热管的实验结果，曲线c是本发明的带交叉槽传热管的实验结果。从该结果可看出，热传导率在整个质量速率的大范围内提高。

下面用图10、图11说明本发明的第3实施例。图10是表示本实施例中的带交叉槽传热管的槽间浓度边界层的图。

本实施例中，如图10所示，在三维突起3上设有引导制冷剂流动的凸状变形物、即肋3a、3b。为了使沿主槽流动的制冷剂流6向付槽方向7拐弯，三维突起3前端部肋3a和后端部肋3b设在相反的方向。图11是传热管的断面图，表示沿主槽流动的制冷剂流6因三维突起3上的肋3a、3b的作用而拐向付槽方向7的情形。

以上，主要以冷凝为例作了描述，在蒸发的情形下，本发明也能发挥同样的效果。即，根据上述实施例，由于混合液被吸入付槽，从三维突起处形成新的浓度边界层，在蒸发的情况下也能得到高的热导率。

另外，该传热管与通常的带交叉槽管相比，由于制作付槽时，减少倾斜角度，所以其制造工序作业快捷而方便。

下面，参照图12至图16说明将本发明的传热管用于混合制冷剂用热交换器时的情形。

图12是交叉翅片管形热交换器，传热管13插入在多个平行的翅片12中。为了提高空气的热传导率，多数情况下，在翅片的表面设有百页14。空气从该图箭头11所示的方向流入并流经翅片之间。这种热交换器中的传热管13，适合采用上述实施例、特别是第2、第3实施例中所述的传热管。

图13是单种制冷剂HCFC-22流经带单一槽传热管时的平均冷凝热传导率a与混合制冷剂流经上述实施例所述带交叉槽管时的平均冷凝热传导率c的比较图。如图13所示，质量速率在300kg/m²S附近时，二者的热传导率没有差别，但当质量速率在100kg/m²S时，即使采用上述实施例的带交叉槽管，热传导率也降低。因此，为了防止热传导率的降低，方法之一是尽量在质量速率大的区域使用。

图14是表示质量速率影响的图，横轴是干度，纵轴是局部冷凝热传导率。当干度x变小时，即液体制冷剂变多时，局部冷凝热传导率降低。但是，在干度小的区域，压力损失也小，所以能增加制冷剂流量。图14中，在干度大的区域，以120kg/m²S的质量速率流动，在干度小的区域，以240kg/m²S的质量速率流动。这样，在制冷剂的流路途中，通过使质量速率发生变化，可得到高的平均热传导率。

为了在制冷剂流路中使质量速率发生变化，只要使制冷剂通路数变化即可。图15中表示其一例。气体制冷剂从制冷剂入口17a和17b两个入口流入，经过U形弯头15a和发针式弯头15b到达合流管16。这里，合流后的制冷剂以高质量速率在成为一个通路的制冷剂管中流动，直至制冷剂出口18。如将其模式化地表示，即为图16所示那样，制冷剂通路从两个通路变化为一个通路。

图15所示的翅片上，设有分割缝隙12c。由于混合制冷剂在冷凝和蒸发的过程中，温度发生变化，该分割缝隙12c的作用是阻止通过翅片的热传导。

把上述实施例的传热管组装到图12所示交叉形翅片管形热交换器中的情况下，必须使传热管与翅片密接，现有技术中，常采取用紧轴对传热管进行机械扩管的方法。但是，上述实施例中的传热管具有复杂的形状，因机械扩管而产生的变形会使性能大幅度降低。因此，在对上述实施例的传热管进行扩管时，最好采用液压扩管。

根据本发明，能够使沿主槽流动的制冷剂拐向付槽方向，其结果，可以提供具有高热导率的混合制冷剂用传热管。图9是本发明的一个实验结果，曲线b表示现有的带单一槽管的实验结果，曲线c表示本发明的交叉槽管的结果。在质量速率大的范围内提高了热传导率。

根据本发明，由于在热交换器中，使制冷剂通路数变化，尽量保持高的质量速率，所以能提供具有高传热性能的混合制冷剂用热交换器。

Claims (12)

1.一种传热管，用于使用混合制冷剂进行冷冻循环的冷凝器或蒸发器中，在该传热管的内面设有交叉的主槽和副槽，其特征在于，沿主槽方向的槽顶被副槽断开而形成为突起，该突起的长度比其宽度长，并且，副槽的宽度比突起的长度小，副槽在相对于管轴±5度的范围内扭转。

2.如权利要求1所述的传热管，其特征在于，主槽相对于管轴倾斜7度至25度。

3.如权利要求1所述的传热管，其特征在于，副槽基本平行于管轴。

4.如权利要求3所述的传热管，其特征在于，主槽相对于管轴倾斜7度至25度。

5.如权利要求1所述的传热管，其特征在于，在上述突起上形成使沿主槽流动的制冷剂流拐向副槽方向的凸状变形部分。

6.如权利要求5所述的传热管，其特征在于，主槽相对于管轴倾斜7度至25度。

7.一种冷冻装置，包括混合致冷剂流过其中的冷凝器和蒸发器，所述冷凝器和蒸发器中的至少之一包括一传热管，所述的传热管在其内面设有交叉的主槽和副槽，其特征在于，沿主槽方向的槽顶被副槽断开而形成为突起，该突起的长度比其宽度长，并且，副槽的宽度比突起的长度小，副槽在相对于管轴±5度的范围内扭转。

8.如权利要求7所述的冷冻装置，其特征在于：主槽相对于管轴倾斜7度至25度。

9.如权利要求7所述的冷冻装置，其特征在于，副槽基本平行于管轴。

10.如权利要求9所述的冷冻装置，其特征在于，主槽相对于管轴倾斜7度至25度。

11.如权利要求7所述的冷冻装置，其特征在于，在上述突起上形成使沿主槽流动的制冷剂流拐向副槽方向的凸状变形部分。

12.如权利要求11所述的冷冻装置，其特征在于，主槽相对于管轴倾斜7度至25度。

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