CN1100517A - 热交换管 - Google Patents

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史蒂文·J·斯潘塞
尼尔坎斯·S·古普特
罗伯特·H·L·基亚
丹尼尔·加夫尼
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Abstract

一种用于热交换的管子，用来在流过管子的流体 和围绕管子外部流动的流体之间传递热量，在热交换 过程中管子外部的流体泡核沸腾。管子有一个或多 个从其外表面延伸的卷旋翅片。卷旋翅片的两个侧 面上每隔一段距离设有从翅片侧部表面延伸的肩部 凹槽。相邻卷旋翅片间的槽内沿周向每隔一段距离 设有凸齿。卷旋翅片从管子表面并非垂直延伸，而是 倾斜的，一个翅片卷旋这样就覆盖住了相邻的一个 槽，可是它并不与相邻的卷旋翅片接触，因而就形成 了一个具有开口间隙的凹腔型泡核沸腾空腔。在一 实施例中，开口间隙沿管子的周向延伸。在另一实施 例中，弯曲的卷旋翅片围绕管子的周向每隔一段距离 设置凹陷，这样，一卷旋翅片就十分靠近其相邻翅片 并在凹陷附近闭合所述间隙。

Description

本发明总的涉及热交换管，更具体地说是涉及热交换管的外表面的构造，该热交换管用于它所浸入其中的液体的蒸发。
许多类型的空调和致冷系统中都有管壳式蒸发器。管壳式蒸发器是一种多个管子包含在单个壳体中的热交换器。通常，诸管子设置得能提供多个穿过热交换器的平行流动通道以使一流体冷却。诸管子浸没在流过热交换壳体的致冷剂中。流体通过管子的壁的热传递作用而被冷却。传递的热量将与诸管子的外表面相接触的致冷剂汽化。这样一种蒸发器的热传递能力主要取决于各根管子的热传递性能。每个管子的外部结构对热交换管总的传热性能是很重要的。
有几种为人们所熟知的改善热交换管热传递性能的方法。其中，（1）增加管子表面的热传递面积，以及（2）在与沸腾流体相接触的管子表面促进泡核沸腾的发生。在泡核沸腾的过程中，从被加热表面传递出来的热量使与该表面接触的液体汽化且蒸汽形成气泡。表面传出的热量使气泡周围的液体蒸发，气泡随之增大。当气泡足够大时，克服表面张力而破裂并从表面逸出。当气泡离开表面时，液体进入由气泡腾出的空间内，使留在该空间内蒸汽得到了补充的液体以汽化而形成新的气泡。在表面连续生成气泡，气泡从表面释放出来，表面的重新湿润，以及水汽气泡的从液体中升起以及混合液体的对流效应，都使传热表面的传热率大大提高。
我们还知道，泡核沸腾的过程可以通过传热表面结构的构造来增强，使传热表面能为截留水汽和促进水汽气泡的形成提供成核位置。例如，简单地将一传热面弄粗糙就能提供成核位置，这种成核位置就能够使表面的传热特性比类似的光滑表面有所提高。
例如空调或致冷系统中的蒸发器的沸腾液体致冷剂中，凹腔型的成核位置能产生气泡柱和良好的传热性能。凹腔型的成核位置是一个表面空腔，其中的空腔开口比下表面空腔的宽度小。周围液体的过多的注入能注满一凹腔型成核位置并使之失去活力。将传热表面构造得使其具有较大的下表面连通通道，而该通道通向表面的开口相对来说则比较小，这样就能使水汽截留或成核位置的满溢减少或被防止，从而改善表面的传热状况。
本发明的热交换管具有能改进传热性能的外表面结构，这种表面结构不但增加了管子外表面面积并且能提供诸凹型空腔，使这些空腔作为成核部位而促进泡核沸腾的发生，从而改善了热传递性能。
该热交换管具有一个或多个从其外表面延伸的卷旋翅片。沿卷旋翅片两侧肩部表面每隔一定间隔在肩部表面上压有凹槽而凹槽凸出部则从翅片肩部延伸出来。相邻旋翅片之间的槽内的空间每隔一定距离设有凸齿。卷旋翅片并不是从管子表面垂直延伸，而是弯向其相邻的翅片。在一个实施例中，卷旋翅片弯曲时不接触其相邻的翅片，而是留出了一个间隙供汽化气体形成的气泡从管子表面逸出。在另一实施例中，围绕管子的圆周向每隔一定距离设置闭合的凹陷部分使相邻的卷旋翅片在闭合凹陷的区域内相互接触。
管子外表面的这种结构构造增大了与液体相接触的表面的面积。同时，这种构造还提供能促进泡核沸腾的凹型空腔。管子的这两个特点都有助于提高其传热性能。
附图作为说明书的一部分，各图中凡是相同的编号均代表相同的元件。
图1是本发明的热交换管的外表面的一部分的透视图;
图2是本发明的热交换管的外表面的一部分的剖视图;
图3是沿图4中线3-3剖开的、本发明的热交换管的外表面的部分剖视图，所示出的是制造过程中的一个中间阶段;
图4是沿图3中线4-4剖开的、本发明的热交换管的外表面的部分视图，所示出的是制造过程中的一个中间阶段;
图5是本发明的热交换管的示意图，图中示出了管子制造过程中的各个步骤。
图1是根据本发明制造的热交换管10的外表面的一部分的透视图。卷旋翅片21同时沿管子10的纵轴作螺旋延伸及沿管子10的壁11的外表面12作径向向外延伸。在每个卷旋翅片之间是一个槽31。管子上可以有一个或多个旋翅片。这种类型的热交换管的通常的制造方法是将管壁在一内部心轴和一外部成翅工具之间滚轧。如果用这种方法的话，卷旋翅片的数量就取决于外部成翅工具的数量和布置。
卷旋翅片包括与外表面12相接的根部22、本体23和端部24。本体23的外表面是肩部25。每个卷旋翅片都倾斜以覆盖一相邻的槽31，这样就形成了一下表面通道。沿肩部25每隔一定距离设有凹槽41。当这些凹槽在制造过程中通过一成槽工具制造成形时，成槽工具会从本体23上排移一部分材料。被排移的这部分材料将在最接近根部22的凹槽41部分从肩部25向外延伸而形成凸出部分42。在槽31内有多个齿32并从外表面12延伸。在本发明的一个实施例中，围绕管子的周向每隔一段距离设有闭合的凹陷部分51。
图2是本发明的热交换管外表面的一部分的剖视图。在此图中可以看到很多从管子10的外表面12延伸的卷旋翅片21。在大部分外表面上卷旋翅片的端部24虽然是倾斜的，但并不碰到相邻的翅片。因而在卷旋翅片的端部24和相邻翅片间就有了一宽度为G的开口间隙。在闭合凹陷部分51处（见图1），端部24′几乎或完全与相邻翅片相接触，因而只留下一个很小的开口间隙或者根本没有间隙。
图3和图4示出了卷旋翅片结构的细节情况。要注意的是，这些图示出的是在管子10制造过程中卷旋翅片21被弯曲前的一中间阶段。在相邻卷旋翅片21之间的槽31内设有从表面12向上延伸高度为Ht的齿32。卷旋翅片21的两边肩部25上则每隔一段距离设有肩部凹槽41。凹槽向卷旋翅片21内延伸的深度为Dn。制造肩部凹槽过程中被排移的材料在最接近翅片根部22的凹槽41末端从肩部25向外凸出。凹槽和凹槽凸出部分的设置增加了管子10的外表面面积，同时也促进了泡核沸腾。图3示出的肩部凹槽41和齿32是对齐的，但情况可以是也可以不是这样，当这些特征是在制造过程中不同阶段安排到管子上时就更是如此。
图5用图解的方式示出了本发明的热交换管在轧制工艺制造过程中不同阶段的状况，它有助于对管子的构造的理解。图中是管子10的剖面图，它被分成了六个区域，每个区域均用一字母表示。A区域是管子未经任何加工时的情况。制造管子的第一步是在壁11上轧制出卷旋翅片21，并在相邻卷旋翅片间留下一个槽31。管子这时就呈现出B区域的状况。第二步，在槽31内形成齿32（见C区域）。第三步，在卷旋翅片21上形成肩部凹槽41和凸出部分42（见D区域）。接着将卷旋翅片21倾斜以使其覆盖槽31，但不与相邻的翅片相接触（见E区域）。最后，本发明的一实施例中，如F区域所示，围绕管子10的周向每隔一段距离轧制出闭合凹陷部51，从而使相邻翅片间的间隙在靠近凹部51处闭合。
当本发明的管子按某些几何和尺寸关系制造时，可以达到最佳传热性和最佳可加工性。最佳的翅片间距是0.36到0.64mm（0.014到0.025英吋）。G，是一卷旋翅片与其相邻翅片之间的间隙的宽度，它的值应该在0.025到0.203mm之间（0.001-0.008英吋）。Ht是槽中齿的高度，它的值应在0.051到0.178mm之间（0.002到0.007英吋）。翅片每个卷旋应有25到250个齿。Dn，是卷旋翅片肩部凹槽的最大深度，它的值应该是0.051mm（0.002英吋）左右。翅片每个卷旋应有25到250个凹槽。在具有闭合凹陷部分的本发明的实施例中，翅片每个卷旋应有40到80个凹陷部分。

Claims (10)

1、一种改进型的传热管(10)，用于在所述管子内部流过的流体和与所述管子的外表面(12)相接触的沸腾流体之间的传热，它包括：
至少一个形成在所述外表面上的卷旋翅片，
所述卷旋翅片沿所述管子的纵轴方向螺旋延伸，并且，
从所述外表面径向延伸，所述翅片具有：
与所述外表面相接的一根部(22)，从所述根部延伸并具有两个相对肩部(25)的本体(23)，从所述本体延伸的一末端部(24)，以及一个形成在相邻的所述卷旋翅片之间的所述外表面上的槽(31)，管子的改进之处包括：
诸凹槽(41)，它们位于所述肩部内，
诸凸齿(32)，它们从所述槽内的外表面向上延伸，以及，
所述末端部，它向一侧倾斜，这样所述末端部就覆盖在一相邻槽的上面以形成一下表面通道，所述下表面通道在所述末端与相邻的所述卷旋翅片间具有一开口。
2、如权利要求1所述的热交换管，其特征在于，翅片的间距是0.36到0.64mm（0.014到0.025英吋）。
3、如权利要求1所述的热交换管，其特征在于，所述开口间隙（G）的值在0.025到0.203mm之间（0.001到0.008英吋）。
4、如权利要求1所述的热交换管，其特征在于，所述凸齿从外表面向上延伸0.051到0.178mm（0.002到0.007英吋）。
5、如权利要求1所述的热交换管，其特征在于，每个翅片卷旋的所述槽内有25到250个齿。
6、个凹槽处从所述肩部延伸的凸出部分（42）。
7、如权利要求1所述的热交换管，其特征在于，所述凹槽（41）的最大深度为0.051mm（0.002英吋）。
8、如权利要求1所述的热交换管，其特征在于，每个翅片卷旋有25到250个凹槽。
9、如权利要求1所述的热交换管，其特征在于，它还包括沿所述卷旋翅片的闭合凹陷部分（51），其中一个翅片卷旋中所述末端部分充份倾斜得与相邻一翅片卷旋的肩部非常接近。
10、如权利要求9所述的热交换管，其特征在于，每个翅片卷旋有40到80个所述闭合凹陷部分。
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