CN109661553B - 用于低雷诺数气流的翅片增强装置 - Google Patents

用于低雷诺数气流的翅片增强装置 Download PDF

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Abstract

一种热交换器，该热交换器包括多个平行翅片和至少一个管，所述至少一个管穿过平行翅片的管，其中，管承载与通过热交换器的空气交换热的流体。平行翅片各自均包括形成在其中的多个空气偏转构件。每个空气偏转构件相对于每个翅片的平面表面大致正交地弯曲，并且每个空气偏转构件构造成引导通过热交换器的空气，以增大空气的湍流，并且使空气冲击邻近的平行翅片，并且使通过热交换器的气流均衡，并且减小通过热交换器的气流的不均匀分布。

Description

用于低雷诺数气流的翅片增强装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月29日提交的美国实用新型申请No.15/689,597的优先权，并且还要求于2016年8月31日提交的美国临时专利申请No.62/381,802的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及具有翅片增强装置的热交换器，该热交换器在通过热交换器的气流呈现低雷诺数的构型中使用。
背景技术
本部分提供了与本公开有关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。
如图1和图2中所示，板状翅片型的常规热交换器10通常包括多个平行管12，所述多个平行管12具有多个垂直翅片14。多个垂直翅片14与多个平行管12热联接以用作蒸发器(热交换器10)。吸收热的流体被迫使通过毛细管进入低的温度和压力下的多个平行管12。流体的随后蒸发从通过邻近蒸发器的管的空气移除热量，从而冷却空气。附接至管12的翅片14增大了有效的热吸收区域，气流在该有效的热吸收区域上方被引导，从而使蒸发器的冷却效率提高。可以利用小型马达驱动风扇16将空气抽吸到蒸发器的热吸收区域的上方，并且将已冷却的空气排出到冰箱的内部中。
然而，应该理解的是，气流分布受到蒸发器设计和风扇16布置两者的影响。在许多情况下，大部分的空气在风扇16的正下方流动，并且较少的空气在热交换器10的端部18处流动，这导致气流的不均匀分布，该不均匀分布使热传递降低。图1中示出了所述现象。
此外，蒸发器10的管12在蒸发器10的深度上均匀地间隔开。然而，出于制造和设计的目的，通常不是这种情况。因此，在更多的空气流动通过如图2中所示出的较大间隙的情况下，管12之间的不均匀的间隙20将破坏气流的分布。在这种情况下，较少的空气接触管12，这使热交换的量减少。
此外，由于噪音的因素，家用冰箱利用产生较低气流速率的小风扇，其中，典型的雷诺数(Reynolds number)在300至1200的范围内。这些小风扇对于压降非常敏感，并且压降的增大可以进一步使气流减小，这使得热传递的量降低。另外，在这种类型的气流的情况下，从传统的翅片增强装置比如使用百叶窗、波状翅片和旋涡发生器看到最小增大量。这些类型的增强装置在具有较高的雷诺数的构型中表现最好，雷诺数表示在许多应用比如HVAC和商业制冷中使用的湍流的量，并且雷诺数由以下公式定义：
Re＝ρVDh/μ (1)
其中，ρ＝空气密度；V＝空气速度；μ＝空气黏度；并且Dh＝液压直径，限定为Dh＝4A流动(最小)L/A表面，其中A流动(最小)＝空气流动通过的最小横截面积；L＝蒸发器的流长度；并且A表面＝暴露于气流的表面面积。
发明内容
本部分提供了本公开的总体概述，而并不是对本公开的全部范围或者本公开的特征的所有特征的全面公开。
本公开提供了一种热交换器，该热交换器包括多个平行翅片和至少一个管，该管穿过平行翅片，其中，管承载与通过热交换器的空气交换热的流体。平行翅片各自均包括形成在其中的多个空气偏转构件。每个空气偏转构件相对于每个翅片的平面表面大致正交地弯曲，并且每个空气偏转构件构造成重新引导通过热交换器的空气，以迫使更多的空气均匀地穿过热交换器与管接触。以这种方式，由风扇引导大部分气流通过中央而导致的不均匀分布被校正，以使整个热交换器的气流均衡，从而使热传递增大。
本公开还提供了一种用于制造热交换器的方法，该方法包括：提供多个平行翅片；提供穿过多个平行翅片的管；以及将管机械地紧固至平行翅片，其中，提供多个平行翅片的步骤包括冲压形成每个翅片的板，以在每个翅片中形成多个空气偏转构件，空气偏转构件相对于每个翅片的平面表面大致正交地弯曲。
根据本文中提供的描述，其他适用领域将变得明显。本概述中的描述和具体的示例仅意在用于说明的目的，而并不意在限制本公开的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于所选择的实施方式而不是所有可能的实现方式的说明性目的，并且不意在限制本公开的范围。
图1是常规热交换器的前视透视图；
图2是常规热交换器的侧视透视图；
图3是根据本公开的原理的示例性热交换器的前视透视图；
图4是根据本公开的原理的示例性热交换器的侧视透视图；
图5以图表的方式示出了通过图3和图4中示出的示例性热交换器获得的热传递增大的量与通过使用百叶窗或者旋涡发生器的常规系统获得的热传递增大的量的对比；以及
图6以图表的方式示出了通过图3和图4中示出的示例性热交换器获得的对空气侧压降的影响与通过使用百叶窗或者旋涡发生器的常规系统获得的对空气侧压降的影响的对比。
贯穿附图的若干视图，对应的附图标记表示对应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图对示例性实施方式进行更全面地描述。
提供了示例性实施方式，使得本公开将是透彻的，并且将充分地向本领域技术人员传达所述范围。阐述了很多具体的细节比如具体的部件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员而言将明显是，不需要采用具体的细节，示例性实施方式可以以很多不同的形式来实施，并且这些不同的形式都不应该被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方式中，没有详细地描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
参照图3和图4，示意性地示出了热交换器或者蒸发器系统50。蒸发器系统50包括管52，管52具有入口54端部和出口56端部两者。管52形成为蛇形构型，该蛇形构型包括多个长形部段58，所述多个长形部段58被多个反向弯曲部或者发夹形部60间隔开。长形部段58和发夹形部60可以是一体的以形成连续的管52，或者长形部段58可以与发夹形部60单独地形成，并且随后被钎焊、焊接或者机械地紧固在一起。管52可以由给围绕的空气提供有效的热交换的任何材料比如铜、铝、不锈钢、钛或者一些其他金属或者合金材料形成。
翅片62是由与管52类似的或者相同的材料所形成的金属板。就此而言，翅片62可以由能够被钎焊、焊接或者机械紧固至管52的材料比如铜、铝、不锈钢或者一些其他类型的金属或者合金材料形成。优选地，出于成本的目的，翅片62由比如铝的材料形成。为了允许管52的长形部段58穿过翅片62，翅片62可以包括开口64。如图3和图4中最佳地示出的，翅片62各自包括不同的轮廓，这些不同的轮廓能够显著地增强通过蒸发器系统50的气流的混合，并且还能够增强与管52的每个翅片62和长形部段58接触的空气的冲击效果。以这种方式，通过热交换器50的气流的不均匀分布被校正，以均匀地平衡通过热交换器50的气流。为了有助于空气的流通过蒸发器系统50，可以使用风扇63。
更具体地，翅片62可以各自被冲压以形成开口64，并且形成多个空气偏转构件或突出部66。相应地，翅片62包括第一表面68和相反的第二表面70。空气偏转突出部66通过翅片62冲压，并且相对于第一表面68和第二表面70弯曲至与第一表面68和第二表面70大致正交的位置。然而，应当理解的是，该空气偏转突出部66可以以期望用期望的方式引导气流通过蒸发器系统50的相对于第一表面68和第二表面70的任意角度弯曲。无论如何，因为可以为每个蒸发器系统50具体地定制空气偏转突出部66的数量和布置结构，所以可以有效地消除本申请的图1和图2中所示出的不均匀的气流或者至少使本申请的图1和图2中所示出的不均匀的气流基本上最小。此外，空气偏转突出部66的使用仅使系统50的空气侧上的压降的可能性略微增大。也就是说，空气偏转突出部66使横跨管52的压降均等，从而使管52的在风扇63的正下方的中央中的气流均衡至管52的边缘(即，至图3和图4的左侧和右侧)。空气偏转突出部66还将直接通过管52的弯曲部60之间的较大间隙的气流重新引导至可以在管52的下面通过并围绕管52的路径，以额外地增加热传递。
如图3和图4中所示，空气偏转突出部66是可以在从第一表面68朝向第二表面70的方向上弯曲或者在从第二表面70朝向第一表面68的方向上弯曲的大致矩形或方形构件66。优选地，相应的翅片62的每个空气偏转突出部66可以沿相同的方向弯曲以用于使制造容易。然而，应当理解的是，每个翅片62的各个空气偏转突出部66可以沿不同的方向弯曲。还应当理解的是，空气偏转突出部可以是本领域技术人员已知的任意形状。例如，可以设想圆形或三角形形状的空气偏转突出部66。此外，应当理解的是，空气偏转突出部66可以最初形成为具有一种形状(即，在最初冲压时)，并且然后在不脱离本公开的范围的情况下，使用随后的加工步骤改变为具有不同的形状。例如，空气偏转突出部66可以以螺旋或盘旋的方式略微扭曲，以进一步有助于引导邻近的翅片62之间的气流，或者可以移除个别的突出部66的部分以提供具有与最初通过冲压形成的形状不同的形状的突出部66。
空气偏转突出部66的尺寸是可变的，并且可以基于多个不同因素选择，所述不同因素包括热交换器的尺寸、翅片62之间的间隔、风扇63的尺寸等。就此而言，空气偏转突出部可以具有范围在4mm2(例如，2mm×2mm)与196mm2(例如，14mm×14mm)之间的表面面积。空气偏转突出部66的优选表面面积是24mm2(6mm×4mm)，该优选表面面积为蒸发器系统50提供良好的热交换的增大并且容易制造。
当空气通过风扇63被抽吸通过蒸发器系统50的翅片62时，空气偏转突出部66以来回的方式引导空气，以在邻近的翅片62之间产生湍流。这种影响在较宽的线圈宽度处是特别有利的。短语“线圈宽度”指的是管52的长形部段58的长度，如图3中所示。在较大的线圈宽度处，较大量的空气可以通过突出部66移动以使蒸发器系统50与空气之间的热交换进一步增加。因此，因为空气被抽吸通过蒸发器系统50，所述空气冲击冷却翅片62以使蒸发器系统50的冷却效果和效率增大。此外，因为空气偏转突出部66可以以与形成开口64相同的制造步骤形成，所以降低了制造具有空气偏转突出部66的翅片62的成本。
如图4中最佳地示出的，空气偏转突出部66可以定位在相应的发夹形部60之间、发夹形部60之后或者既定位在发夹形部60之间又定位在发夹形部60之后。此外，形成在不同的翅片62中的空气偏转突出部66可以被偏置，如通过以虚线示出的空气偏转突出部66所示。如图3中所示，空气偏转突出部66的一半空气偏转突出部可以沿一个方向定向，并且空气偏转突出部66的剩余一半空气偏转突出部可以沿相反的方向定向。替代性地，位于入口54附近的空气偏转突出部66可以沿一个方向(即，朝向图中的左侧)定向，并且位于出口56附近的空气偏转突出部66可以沿相反的方向(即，朝向图中的右侧)定向。另一替代性方案为使风扇63左侧和右侧的空气偏转突出部沿一个方向定向，而位于风扇63正下方的翅片62上的突出部66沿相反的方向定向。应当理解的是，可以将对空气偏转突出部66进行定向的任意数量的组合选择成使得特定应用可以具有为空气偏转突出部66特别定做的构型以使通过热交换器50的气流最大。在任意情况中，空气偏转突出部66使翅片62之间的流动面积减小，这增大了翅片62之间和围绕管52的长形部段58的空气速度，以使管52中的流体与空气之间的热传递增大。
通过所述构型，蒸发器系统50的雷诺数减小。虽然在直觉上这会使热传递减少，但是热传递系数是雷诺数和液压直径两者的函数：
NuαRe～0.5＝(ρVDh/μ)～0.5 (2)
其中，Nu是努赛尔数(Nusselt number)，并且Nu＝h Dh/k(其中，k是热导率并且h是热传递系数)。带入并简化之后：
hα(ρVDh/μ)～0.5K/Dh＝(ρV/(Dhμ)～0.5K (3)。
因此，虽然努赛尔数确实随着液压直径的减小而减小，但是其仅减小约半幂(halfpower)。同时，热传递系数与液压直径的负幂(full inverted power)成比例。因此，减小液压直径使热传递系数增大。
示例
测试完整的蒸发器系统50并且测量热传递的增大。图5示出了相对于雷诺数的热传递增大的量，并且示出了在使用常规翅片增强装置比如使用百叶窗和旋涡发生器时的热传递增大的量。如图5中可以看到，通过使用空气偏转突出部66获得的热传递的增大量在较低的雷诺数处比使用常规翅片增强装置比如百叶窗和旋涡发生器所获得的热传递的增大量大。
图6示出了在使用根据本公开的空气偏转突出部66、使用常规百叶窗以及使用常规旋涡发生器时发生的对空气侧压降的影响。如图6中可以看到，与使用常规百叶窗相比，使用偏转突出部66对于空气侧压降没有不利影响，并且使用空气偏转突出部66发生的空气侧压降的量与通过常规旋涡发生器所获得的空气侧压降的量类似。尽管突出部66产生与使用旋涡发生器相似的最小空气侧压降，但是应当指出的是，通过空气偏转突出部66获得的热传递的量显著地大于通过旋涡发生器获得的热传递的量，如图5中所示。
处于说明和描述的目的，已经提供了对实施方式的上述描述。上述描述并不意在是穷举的或者限制本公开。特定的实施方式的各个元件或特征通常不限制于该特定的实施方式，而是在适用的情况下，即使没有具体地示出或者描述，各个元件和特征是可互换的并且可以用于选定的实施方式。特定的实施方式的各个元件或特征也可以以许多方式变化。这种变化不应被认为脱离本公开，并且所有的这些修改意在包括在本公开的范围内。

Claims (17)

1.一种热交换器，所述热交换器包括用于将空气抽吸通过所述热交换器的风扇，所述热交换器包括：
多个平行翅片；以及
至少一个管，所述至少一个管穿过所述平行翅片，所述管具有通过多个反向管弯曲部段连接的多个长形部段，所述管承载与被所述风扇抽吸通过所述热交换器的空气交换热的流体，
其中，所述平行翅片各自均包括形成在其中的多个空气偏转构件，每个空气偏转构件相对于每个翅片的平面表面大致正交地弯曲，并且每个空气偏转构件构造成对被所述风扇抽吸通过所述热交换器的空气进行引导，以通过将空气从所述长形部段中的每个长形部段的中央沿朝向所述长形部段的每个相反端部的方向引导来减小通过所述热交换器的气流的由所述风扇引起的不均匀分布，从而平衡被所述风扇抽吸通过所述热交换器的空气。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，一个相应的翅片的空气偏转构件沿第一方向弯曲，并且邻近的翅片的空气偏转构件沿第二并且相反的方向弯曲。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述空气偏转构件形成在邻近的反向管弯曲部段之间。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述空气偏转构件通过所述反向管弯曲部段重叠。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述空气偏转构件形成在邻近的长形部段之间。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，相应的翅片的空气偏转构件对于相邻近的平行翅片的空气偏转构件交错排列。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述空气偏转构件是扭曲的。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其中，邻近的平行翅片之间的气流以来回的方式在所述平行翅片之间蜿蜒流动。
9.一种蒸发器，所述蒸发器包括权利要求1所述的热交换器。
10.一种用于制造热交换器的方法，所述热交换器包括用于将空气抽吸通过所述热交换器的风扇，所述方法包括：
提供多个平行翅片；
提供穿过多个所述平行翅片的至少一个管，所述管具有通过多个反向管弯曲部段连接的多个长形部段，并且所述管构造成承载与被所述风扇抽吸通过所述热交换器的空气交换热的流体；以及
将所述管钎焊至所述平行翅片，
其中，提供多个平行翅片的步骤包括冲压形成每个翅片的板以在每个翅片中形成多个空气偏转构件，所述空气偏转构件相对于每个翅片的平面表面大致正交地弯曲，并且
每个空气偏转构件构造成对被所述风扇抽吸通过所述热交换器的空气进行引导，以通过将空气从所述长形部段中的每个长形部段的中央沿朝向所述长形部段的每个相反端部的方向引导来减小通过所述热交换器的气流的由所述风扇引起的不均匀分布，从而平衡被所述风扇抽吸通过所述热交换器的空气。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，一个相应的翅片的空气偏转构件沿第一方向弯曲，并且邻近的翅片的空气偏转构件沿第二并且相反的方向弯曲。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述空气偏转构件形成在邻近的反向管弯曲部段之间。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述空气偏转构件通过所述反向管弯曲部段重叠。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述空气偏转构件形成在邻近的长形管部段之间。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，相应的翅片的空气偏转构件相对于邻近的平行翅片的空气偏转构件交错排列。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述空气偏转构件是扭曲的。
17.一种蒸发器，所述蒸发器包括根据权利要求10所述的方法制造的所述热交换器。
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