CN109269337A - 一种满液式蒸发器用换热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种满液式蒸发器用换热管，其蒸发表面段包括换热管本体（2）、翅片（10）、T形翅片（4），相邻的T形翅片（4）与T形翅片（4）之间周向延伸的螺旋状槽道底面构成空穴结构（5）；换热管本体（2）内表面设有沿周向均匀分布的突出的肋条，相邻肋条之间形成螺旋槽道（3）；相邻的T形翅片之间留有缝隙（6），每个T形翅片（4）上均设有棱锥形翅片（7），本发明表面的四棱四沟槽棱锥形翅片上产生的汽泡以及脱离壁面后，周围液体及时补充空泡空间，造成液膜的扰动与压力的冲击作用影响了空穴内的液体以及壁面处的汽化核心，使得液体迅速转化成气体，消除了“热滞后”现象，无需外部设备以及耗能，经济，简单。

Description

一种满液式蒸发器用换热管

技术领域：

本发明公开了一种蒸发器用传热管，尤其涉及一种满液式蒸发器用换热管，适用于制冷空调系统中的满液式蒸发器。

背景技术：

满液式蒸发器是制冷系统中常用重要部件。在满液式蒸发器中，制冷剂在蒸发器内将换热管淹没，当热流体在管内流过时，热量从热流体传递给管外的制冷剂，导致制冷剂沸腾相变产生蒸汽。

目前流行的蒸发换热管是在表面上加工出螺旋状翅片，所述翅片顶部沿翅片螺旋方向加工出切口，同一翅片上均匀布置的切口之间形成凸台。通过对凸台的机械压轧，使得凸台向翅片两侧延伸，达到覆盖翅片之间的槽道程度，形成空穴结构；且相邻各个凸台延伸部分之间留有缝隙作为空穴的排汽口。俗称这种翅片为T形翅片，空穴内生成的汽泡通过孔口排出空穴，形成池沸腾现象。汽泡离开空穴后，管外的制冷剂会及时通过孔口流入空穴，为下次汽泡的生成准备条件。中国专利95118177.7公开了这种蒸发换热管的技术，由于这种空穴结构容易生成大量的汽化核心，加快汽泡生长的速度与脱体频率，因而，提高了沸腾换热系数。实验证明，这种空穴结构换热管的换热系数比光管提高3倍以上。为了提高蒸发管的换热性能，技术人员通过改进加工技术，不断增加径向分布翅片的密度，减小翅片间距，缩小空穴的尺寸，以便增加汽化核心和气泡数量，提高蒸发换热系数。在增加空腔数目以便增加蒸汽泡的数目，进而达到提高换热系数的指导思想下，空穴的体积越来越小。以前，蒸发换热管每英寸有43个径向分布的翅片，而现在可以达到每英寸60片翅片以上，相应的空穴体积大大缩小了。随着空穴的体积减小，热滞后现象更严重了。所谓热滞后是指：对表面加热，热流密度从小到大逐渐增加时，一些表面，如多孔介质表面或者具有空穴结构的表面，起始沸腾的壁面温度必须大于稳定沸腾时的壁面温度，才能出现气泡，产生沸腾。而且，一旦出现沸腾产生气泡后，壁面温度又迅速降低，达到正常稳定沸腾的壁面温度，依然保持沸腾现象，这个过程在图上（壁面过热度与热流密度沸腾曲线图）沿横坐标出现明显的凸起，这种现象在传热学上称为热滞后，俗称“温度过头”。实验显示，有些情况下，需要产生10度以上的壁面 “温度过头”，才能出现沸腾。这种现象的存在影响了设备的正常使用。传统传热学对沸腾热滞后现象无法进行合理解释，在上世纪90年代，一些研究者引入非线性理论对沸腾系统进行了研究，创立了非线性沸腾传热学。非线性传热学指出：传统传热学中，仅对单个汽化核心或气泡进行动力学分析和计算，而忽视了多个核心或者气泡之间的相互影响。非线性传热学中认为，当过热度达到一定值时，系统将进入特别平衡区，此时，系统内部会发生关联的非线性相互作用。具体讲，若以某潜在的气泡为中心，半径R2面积内的汽化核心密度分布以及汽泡的长大、发展都会受到邻近的气泡或者汽化核心，包括，以半径R1面积以内的汽化核心密度分布影响，这种影响称为空间相关性。一般说来，空间相关性随着R1点和R2点间距离有关，距离越小相关性越大，相互的影响也越强烈。该理论还指出：从自然对流到核态沸腾的转变实际上对应汽液界面失稳的亚临界分岔。壁面过热度和扰动是促使液体形态突变过程中两个关键因素。根据非线性沸腾传热学的理论，可以很好理解热滞后现象：当换热管表面的空穴很小时，空穴的壁面相互接近，壁面上的汽化核心相互之间具有强烈的相关性，形成束缚和约束，即使壁面过热度达到了正常稳定沸腾时的过热度，依然无法发展成为汽泡，形成亚临界分岔。继续提高壁面温度，即提高壁面过热度，使之超出正常稳定沸腾时的过热度，才能出现沸腾；这就很好解释了“温度过头”的物理原理。另外，实验中观察到，壁面温度超出正常稳定沸腾时的过热度，产生沸腾，出现气泡后，壁面温度会迅速减低，达到正常稳定沸腾时的过热度，依然保持正常的沸腾现象。其物理原因在于扰动的作用。具体讲，由于平衡状态下的涨落现象与随机性的作用，单个气化核心或几个气化核心可以成长为汽泡。一旦出现气泡并脱离，会产生了压力场以及温度场的扰动，就可以使得其余汽化核心顺利发展成为汽泡，这时，在强烈的扰动作用下，即使小的壁面过热度也可以使得沸腾发生。因此，壁面过热度又恢复到稳定沸腾时的壁面过热度了。此后，气泡不断出现并脱离壁面，不断造成扰动，壁面过热度就不再出现温度过头的现象了。在非线性传热学理论的指导下，人们认识到：在一定过热度条件下，施加扰动就可以克服汽化核心点之间的相关影响，进而控制热滞后。因而相继出现了消除热滞后现象的多种技术，分别介绍如下：技术一，在液体中添加纳米粒子，通过固体粒子在液体中的运动，施加扰动，控制热滞后现象的出现；技术二，设置喷管对换热面进行射流，产生扰动，控制了热滞后；技术三，采用声空化技术对加热面施加扰动，控制热滞后。所谓声空化是指向液体辐射超声波，在周期性的声压作用下，液体中会出现大量微小气泡，随着周期性声压的变化，微小气泡周期性的膨胀和溃灭运动。在其周期性振荡，特别溃灭过程中，会瞬间在局部产生高温、高压，因而产生强烈的冲击波和高速射流。中国专利200810222960.7公开了声空化强化传热的技术以及实验装置，中国专利201410103160.9公开了强化声空化的装置。以上的技术虽然有很好的效应，但是需要增加设备以及消耗能量，目前还未得到普遍应用。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足为了解决高效换热管的热滞后问题而提供的满液式蒸发器用换热管，本发明即使在空穴几何尺寸很小的情况下，在蒸发管出现沸腾时的壁面温度保持在正常沸腾温度左右，即消除温度过头现象，顺利达到设计性能，无需外部设备以及耗能，经济，简单。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种满液式蒸发器用换热管，其包括光段与蒸发表面段两部分，其特征在于蒸发表面段包括换热管本体、换热管本体外表面设置的沿换热管轴线呈螺旋状分布的翅片，翅片顶部均匀设有向两侧延伸成平台形成的T形翅片，相邻的T形翅片与T形翅片之间周向延伸的螺旋状槽道底面构成空穴结构；换热管本体内表面设有沿周向均匀分布的突出的肋条，相邻肋条之间形成螺旋槽道；相邻的T形翅片之间留有缝隙，为空穴的排汽/进液口；每个T形翅片上均设有棱锥形翅片。

为了进一步实现本发明的目的，所述的棱锥形翅片包括四条棱脊以及四条棱脊之间相应的四条V形微槽，为呈对称的四棱四沟槽棱锥体，椎体顶部为尖峰状。

为了进一步实现本发明的目的，所述的棱锥形翅片的棱锥体高0.2—0.5mm；棱锥体底面最大宽度0.08—0.2mm；V形沟槽最大深度0.03—0.06mm。

为了进一步实现本发明的目的，所述的棱锥形翅片的棱锥体高0.05mm；棱锥体底面最大宽度0.1mm；V形沟槽最大深度0.05mm。

为了进一步实现本发明的目的，所述的空穴结构高度为 0.3 ～ 0.8mm，宽度为0.25-0.5mm。

为了进一步实现本发明的目的，所述的空穴结构高度为0.5mm，宽度为 0.3mm。

为了进一步实现本发明的目的，所述的螺旋槽道的槽深0.1—0.45mm，槽道10—60条。

为了进一步实现本发明的目的，所述的螺旋槽道的槽深0.3mm，槽道15条。

为了进一步实现本发明的目的，所述的缝隙的宽度 0.05-0.25mm。

为了进一步实现本发明的目的，所述的光段外径为19mm。

本发明的原理及作用如下：根据上述非线性传热学理论分析，有限空间内液体发生相变与大空间的池沸腾不同，有限空间内，尤其是小几何尺寸的空间内的多个汽化核心之间产生相关性，相互束缚和制约，在大空间正常沸腾的壁面过热度条件下，不能发生沸腾，为此需要施加扰动，本发明由于在换热管表面设置了棱椎形翅片，在正常沸腾壁面过热度条件下，尽管空腔内液体无法沸腾，但是换热管表面上的棱椎形翅片是处在大空间的液池里，其壁面上的汽化核心之间的关联属于远程关联，相互作用影响很弱，在正常沸腾壁面过热度条件下，即可易出现沸腾。当汽泡长大。迅速离开壁面时，周边的液体立即流过来填补，形成脉动流。气泡的脱体运动以及周围液体的流动会造成强烈的压力变化，据理论估算，这种冲击压力可达到1--5MPa。而这种压力与流体的振荡，通过棱椎形翅片旁的排汽/进液口直接影响空穴内的液体以及空穴壁面的汽化核心，产生重要扰动，造成临界状态失稳，促使汽化核心的汽液界面出现突变，在随机性的作用下，个别汽化核心迅速发展成为气泡。当气泡迅速长大并通过孔口逸出空穴后，产生的压力变化与流体的振荡又会对流入空穴的流体进行扰动，促使气泡的产生，气泡不断产生和逸出空穴，所产生的这种扰动消除了相关性影响，使得空穴的有限空间的液体在正常过热度下就可以沸腾了。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明在换热管外表面的空穴排汽/进液孔口旁均匀设置四棱四沟槽棱锥形翅片，大量椎体的存在增加了换热面积，尤其是椎体的棱脊之间的表面采用V形槽，不仅比一般的锥台凸起的换热面积要大，更重要的是：这种V形槽中的残留气体（包括蒸汽），由于表面张力的原因，很难彻底逐出，它们就成为孕育新生气泡的有利场所，最有可能发展成为汽化核心；与平面和凸面相比较，这种“V” 型沟槽形成汽泡所需活化能最少，也即所需过热度最低。经过试验证实：光滑表面的沸腾起始壁面温度（出现沸腾现象的壁面温度）是V型槽的3倍以上。由于棱椎形翅片可以做到在低的沸腾起始壁面温度下就出现沸腾，因而在空穴内的液体出现临界稳定态，沸腾被抑制，出现热滞后时，本发明换热管表面的林椎形翅片可以出现沸腾，产生的大量气泡造成扰动，通过排汽/进液口及时干预了空穴内汽液形态转变，控制了热滞后。本发明通过在换热管表面设置四棱四沟槽的椎体，利用其大空间沸腾的特点，以及所需壁面过热度小，在正常沸腾温度下就可以旺盛沸腾。沸腾中出现的大量气泡以及脱离壁面而产生的压力变化与液体的振荡、冲击等，经过排汽/进液口传递给小空穴内的液体，继而控制热滞后。与其他技术相比，无需外部设备以及耗能，做到经济，简单。

附图说明：

图1为本发明的剖面示意图；

图2为本发明蒸发表面段的局部结构示意图；

图3为本发明的棱锥形翅片的俯视图；

图4为本发明的沸腾实验示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：

实施例：一种满液式蒸发器用换热管（参见图1-图3），其包括光段1与蒸发表面段两部分。光段1用来与换热器的端板固定用，其外径为19mm。蒸发表面段为换热表面，蒸发表面段包括换热管本体2、换热管本体2外表面设置的沿换热管轴线呈螺旋状分布的翅片10，翅片10顶部均匀设有凸台经碾压向两侧延伸成平台形成的T形翅片4，相邻的T形翅片4与T形翅片4之间周向延伸的螺旋状槽道底面构成空穴结构5，该空穴结构5通过相邻T形翅片之间以及各个凸台延伸部分之间均具有缝隙与管外工作介质连通，空穴结构5高度为 0.3 ～0.8mm（优选0.5mm），宽度为0.25-0.5mm（优选0.3mm）。

换热管本体2内表面设有沿周向均匀分布的突出的肋条，相邻肋条之间形成螺旋槽道3，槽深0.1—0.45mm（优选0.3mm），槽道10—60条（优选15条）。

相邻的T形翅片之间留有缝隙6，其宽度 0.05-0.25mm （优选0.15mm），其作用为空穴的排汽/进液口，空穴产生的汽泡通过该缝隙逸出，同时也是外面制冷剂对空穴进行补液的进液口。

每个T形翅片4上均设有棱锥形翅片7，棱锥形翅片7包括四条棱脊8以及四条棱脊之间相应的四条V形微槽9，棱锥形翅片7为呈对称的四棱四沟槽棱锥体，椎体顶部为尖峰状，棱锥体高0.2—0.5mm（优选0.05mm）；棱锥体底面最大宽度0.08—0.2mm（优选0.1mm）；V形沟槽最大深度0.03—0.06mm（优选0.05mm）。

图4显示了本发明新型换热管与常规换热管的对比实验结果，实验的制冷剂为R134a，蒸发压力为0.26MPa，相应饱和温度5.6℃。在实验中，通过改变热水的温度来改变壁面过热度，当过热度达到3.2度时，壁面出现汽泡，开始沸腾，热流密度增长幅度增大。从这点温度开始，图4的沸腾曲线出现变化。提高管内热水温度，相应的热流密度不断增大，但是壁面过热度却不断下降，当过热度下降到2.75度后，情况出现变化，随着增加换热管内热水的温度，热流密度不断提高，此时壁面过热度开始上升。传统上将3.2℃到2.75℃的差值称为“温度过头”现象，即热滞后现象。图4上显示了本发明的新型蒸发换热管沸腾曲线。当壁面过热度达到2.7℃时，壁面开始出现沸腾现象，并且随着热水温度的升高，热流密度的增大，壁面过热度也是不断提高。与常规换热管不同，没有“温度过头”现象，没有热滞后。实验证明了本发明具备消除热滞后的作用。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分都属于现有技术。以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种满液式蒸发器用换热管，其包括光段（1）与蒸发表面段两部分，其特征在于蒸发表面段包括换热管本体（2）、换热管本体（2）外表面设置的沿换热管轴线呈螺旋状分布的翅片（10），翅片（10）顶部均匀设有向两侧延伸成平台形成的T形翅片（4），相邻的T形翅片（4）与T形翅片（4）之间周向延伸的螺旋状槽道底面构成空穴结构（5）；换热管本体（2）内表面设有沿周向均匀分布的突出的肋条，相邻肋条之间形成螺旋槽道（3）；相邻的T形翅片之间留有缝隙（6），为空穴的排汽/进液口；每个T形翅片（4）上均设有棱锥形翅片（7）。

2.根据权利要求（1）所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的棱锥形翅片（7）包括四条棱脊（8）以及四条棱脊之间相应的四条V形微槽（9），为呈对称的四棱四沟槽棱锥体，椎体顶部为尖峰状。

3.根据权利要求2所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的棱锥形翅片（7）的棱锥体高0.2—0.5mm；棱锥体底面最大宽度0.08—0.2mm；V形沟槽最大深度0.03—0.06mm。

4.根据权利要求3所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的棱锥形翅片（7）的棱锥体高0.05mm；棱锥体底面最大宽度0.1mm；V形沟槽最大深度0.05mm。

5.根据权利要求1所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的空穴结构（5）高度为 0.3 ～ 0.8mm，宽度为0.25-0.5mm。

6.根据权利要求5所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的空穴结构（5）高度为0.5mm，宽度为 0.3mm。

7.根据权利要求1所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的螺旋槽道（3）的槽深0.1—0.45mm，槽道10—60条。

8.根据权利要求7所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的螺旋槽道（3）的槽深0.3mm，槽道15条。

9.根据权利要求1所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的缝隙（6）的宽度 0.05-0.25mm。

10.根据权利要求1所述的一种满液式蒸发器用换热管，其特征在于所述的光段（1）外径为19mm。