CN111065880A - 用于壳管式热交换器背景的螺旋插入件 - Google Patents
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Abstract
一种热传递管包括具有内管壁的管和沿着管长度且从内管壁沿径向向内延伸的管元件。管元件具有小于管的液压半径的径向元件高度，并且径向元件高度大于在内管壁处的基部元件宽度。一种管壳式热交换器包括热交换器管，该热交换器管延伸通过壳体并具有流过热交换器管的热传递介质。热交换器管包括具有内管壁的管和沿着管长度且从内管壁沿径向向内延伸的管元件。管元件具有小于管的液压半径的径向元件高度，并且径向元件高度大于在内管壁处的基部元件宽度。
Description
技术领域
示例性实施例涉及加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)系统的领域。更具体地，本公开涉及用于HVAC&R系统的壳管式热交换器。
背景技术
壳管式热交换器用于HVAC&R系统中，特别是用作HVAC&R系统中的蒸发器，以促进蒸发器中的制冷剂与流过蒸发器中的许多管的介质(通常是水、盐水或其它溶液)之间的热能交换。热能交换使介质冷却并使制冷剂汽化。
发明内容
在一个实施例中，一种热传递管包括具有内管壁的管和沿着管长度且从内管壁沿径向向内延伸的管元件。管元件具有小于管的液压半径的径向元件高度，并且径向元件高度大于在内管壁处的基部元件宽度。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件沿着管长度螺旋地延伸。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件具有在1至20的范围中的节距与液压直径的比。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件沿着管长度断续地延伸。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件包括第一元件部分和与第一元件部分分开的第二元件部分，第一元件部分和第二元件部分沿着管的纵向方向重叠。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件构造成延伸通过流过管元件的热传递介质的热边界层。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件是与管一体地形成的螺旋特征。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，单个整体式管元件在垂直于管长度的横截面处从内管壁沿径向向内延伸。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管由第一材料形成，并且管元件由与第一材料不同的第二材料形成。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，热传递管包括一个或多个表面增强件，一个或多个表面增强件包括轴向的、螺旋的或交叉影线的(crosshatched)微翅片或凹状腔中的一个或多个。
在另一实施例中，一种管壳式热交换器包括壳体和热交换器管，该热交换器管延伸通过壳体并具有流过热交换器管的热传递介质。热交换器管包括具有内管壁的管和沿着管长度且从内管壁沿径向向内延伸的管元件。管元件具有小于管的液压半径的径向元件高度，并且径向元件高度大于在内管壁处的基部元件宽度。热交换器包括制冷剂入口，其用以使制冷剂在热交换器管上流动，以用于制冷剂与热传递介质之间的热能交换。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件沿着管长度螺旋地延伸。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件具有在1至20的范围中的节距与液压直径的比。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件沿着管长度断续地延伸。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件包括第一元件部分和与第一元件部分分开的第二元件部分，第一元件部分和第二元件部分沿着管的纵向方向重叠。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件构造成延伸通过流过管元件的热传递介质的热边界层。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管元件是与管一体地形成的螺旋特征。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，单个整体式管元件在垂直于管长度的横截面处从内管壁沿径向向内延伸。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，管由第一材料形成，并且管元件由与第一材料不同的第二材料形成。
另外或备选地，在该实施例或其它实施例中，热交换器管包括一个或多个表面增强件，一个或多个表面增强件包括轴向的、螺旋的或交叉影线的微翅片或凹状腔中的一个或多个。
附图说明
以下描述不应当被认为以任何方式进行限制。参考附图，相同的元件编号相同：
图1是加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)系统的示意性视图；
图2是用于HVAC&R系统的蒸发器的实施例的横截面视图；
图3是用于热交换器的管的实施例的横截面视图；
图4是用于HVAC&R系统的热交换器的管的实施例的透视图；
图5是用于HVAC&R系统的热交换器的管的另一实施例的横截面视图；以及
图6是用于HVAC&R系统的热交换器的管的又一实施例的透视图。
具体实施方式
参考附图，所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述通过例示而非限制的方式来呈现在本文中。
壳管式热交换器的典型管可具有用以改善介质与制冷剂之间的热能传递的特征或“增强件”。一种这样的增强件是扭曲带插入件，其完全横跨管的内径而延伸。然而，这些插入件典型地造成沿着管的长度的高压降损失。
图1中示出了加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)系统10(例如，冷却器)的实施例的示意性视图。蒸汽制冷剂14的流被引导至压缩机16中，且然后被引导至冷凝器18，冷凝器18将液体制冷剂20的流输出到膨胀阀22。膨胀阀22将蒸汽和液体制冷剂混合物24输出到蒸发器12。热能交换发生在通过多个蒸发器管26而流入蒸发器12中并从蒸发器12流出的热传递介质28的流与蒸汽和液体制冷剂混合物24之间。当蒸汽和液体制冷剂混合物24在蒸发器12中汽化时，蒸汽制冷剂14被引导至压缩机16。
现在参考图2，在一些实施例中，蒸发器12是降膜蒸发器。虽然在图2中示出并在本文中描述了降膜蒸发器12，但本领域技术人员将容易地认识到，本公开可容易地应用于其它壳管式热交换器，诸如浸没式蒸发器或冷凝器。
蒸发器12包括壳体52，其中蒸发器12的构件至少部分地设置在壳体52中，蒸发器12的构件包括分离器30，其用以从蒸汽和液体制冷剂混合物24中分离液体制冷剂20和蒸汽制冷剂14。蒸汽制冷剂14从分离器30通过吸入端口32并朝向压缩机16而被导引，而液体制冷剂20朝向蒸发器12的分配系统34而被导引。分配系统34包括分配箱36，分配箱36具有沿着分配箱36的底部表面44排列的多个开口38。尽管在图2的实施例中分配箱36的横截面是基本上矩形的，但将认识到，分配箱36可具有另一横截面形状，例如，T形或卵形。分配箱36和开口38构造成将液体制冷剂20滴注到蒸发器管26上，并造成降膜终止于蒸发器12的底部处的制冷剂池40中。供给管道42从分离器30延伸到分配箱36中，并终止于分配箱36中。液体制冷剂20流入分配箱36中造成在流过滴注开口38之前在分配箱36中收集一定体积的液体制冷剂20或液体压头46。在一些实施例中，通风口56可位于分配系统34处，例如，位于分配箱36处，以允许从分离器30行进到分配系统34中的蒸汽制冷剂14逸出，从而防止蒸汽制冷剂14在分配系统34中不合需要的积聚。
热传递介质28流过蒸发器管26，以用于与液体制冷剂20进行热能交换。现在参考图3，管26典型地具有带有中心轴线60的圆形横截面。在一些实施例中，蒸发器管28具有内增强件或外增强件，其包括轴向的、螺旋的或交叉影线的微翅片或凹状腔中的一个或多个。热传递介质28是单相液体，并且在一些实施例中是高普朗特数的流体，诸如低温盐水或乙二醇。在一些实施例中，流体具有在7至200的范围中的普朗特数。在这样的流体中，热边界层64是比流体动量边界层薄得多的层。换句话说，与热边界层64相比，流体动量边界层边缘进一步位于管内壁62的径向内侧。通过将热边界层64与位于热边界层64的径向内侧的核心流66混合同时使对核心流66的干扰最小化，在使压降增加最小化的同时改善了热传递。
现在参考图4，为了提供热边界层64和核心流66的混合，诸如螺旋插入件68的管元件位于蒸发器管26的内部，并沿着蒸发器管26的长度延伸。如在图3中最佳地示出的，插入件68的横截面为矩形的，其中在管内壁62的径向内侧的插入件高度70大于周向插入件宽度72。在一些实施例中，插入件高度70与插入件宽度72的纵横比在1至200的范围中。
在备选实施例中，如图5中所示出的，插入件68可具有带有插入件直径74的圆形横截面。在另外的其它实施例中，插入件可具有其它横截面形状，诸如卵形或椭圆形或其它曲线形状，或者三角形或其它多边形形状。
再次参考图3，插入件高度70小于管液压半径，并且在一些实施例中可表示为：
高度 = C*sqrt(L/D)*(D/((Pr 1/3)*sqrt(ReD))
其中：L = 管长度；
D=管液压直径；
Pr=热传递介质28的普朗特数；
ReD=在管有效直径处的雷诺数；以及
C=常数，在一些实施例中，该常数具有在2与5之间的值。在其它实施例中，常数C具有在2.5与3.5之间的值。
在具有圆形插入件68的实施例中，用插入件直径74来替代插入件高度70。插入件高度70被确定为延伸通过热边界层64，同时对核心流66造成最小的干扰。
再次参考图4，在一些实施例中，螺旋插入件68沿着管长度螺旋地延伸，并且具有插入件节距76，或插入件68经过围绕管26的完整360度旋转的在管长度上的距离。为了具有较大的混合效果并因此对热能传递产生较大的影响，选择较窄的插入件节距76，而为了对热能传递产生较小的影响，选择较宽或较长的插入件节距76。在一些实施例中，插入件节距76与管最大内径D的比在1至20的范围中。
在一些实施例中，诸如图4中所示出的，利用单螺旋插入件68，使得在垂直于管长度而截取的横截面处存在单个突起或插入件高度70。虽然在本附图中示出并在本文中描述了单螺旋插入件68，但本领域技术人员将容易地认识到，在一些实施例中可利用双螺旋插入件。此外，本领域技术人员将容易地认识到，本公开可容易地应用于具有除了圆形之外的横截面形状的蒸发器管26，诸如具有卵形、椭圆形、矩形或正方形横截面的蒸发器管26。
现在参考图6，在一些实施例中，螺旋插入件68可沿着管长度76断续地延伸，并且可由多个插入件节段80限定。在一些实施例中，插入件节段80沿着管长度在螺旋方向上延伸，而在其它实施例中，插入件节段80各自平行于管长度76而延伸。在一些实施例中，插入件节段80可沿着管长度76重叠。
虽然在一些实施例中螺旋插入件68固定到管内壁62，但沿着螺旋插入件68的整个长度的这样的紧密接触不是必要的，这是因为螺旋插入件68的主要目的是提供热传递介质28的流混合，以增强通过热传递介质28的热传递。
螺旋插入件68可由与蒸发器管26相同的材料(诸如铝或铜或其合金)形成，并且进一步可与蒸发器管26一体地形成。在其它实施例中，螺旋插入件68与蒸发器管26分开形成，并经由二次操作来安装。此外，螺旋插入件68可由与用于形成蒸发器管26的材料不同的材料(诸如金属或聚合物材料)形成。
用语“大约”旨在包括与基于在提交本申请时可用的设备来对特定量进行的测量相关联的误差度。
本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并不旨在限制本公开。如本文中所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。将进一步理解到，用语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”在其用于本说明书中时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件构件和/或其组合。
虽然已参考一个或多个示例性实施例而描述本公开，但本领域技术人员将理解到，在不脱离本公开的范围的情况下，可作出多种改变，并且可用等同体来替代其元件。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可作出许多修改，以使特定的情形或材料适应于本公开的教导。因此，意图的是，本公开不限于作为针对实施本公开而设想的最佳模式来公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施例。
Claims (20)
1. 一种热传递管，包括：
管，其具有内管壁；以及
管元件，其沿着管长度并且从所述内管壁沿径向向内延伸，所述管元件具有小于所述管的液压半径的径向元件高度，并且所述径向元件高度大于在所述内管壁处的基部元件宽度。
2.根据权利要求1所述的热传递管，其特征在于，所述管元件沿着所述管长度螺旋地延伸。
3.根据权利要求2所述的热传递管，其特征在于，所述管元件具有在1至20的范围中的节距与液压直径的比。
4.根据权利要求1所述的热传递管，其特征在于，所述管元件沿着所述管长度断续地延伸。
5.根据权利要求4所述的热传递管，其特征在于，所述管元件包括第一元件部分和与所述第一元件部分分开的第二元件部分，所述第一元件部分和所述第二元件部分沿着所述管的纵向方向重叠。
6.根据权利要求1所述的热传递管，其特征在于，所述管元件构造成延伸通过流过所述管元件的热传递介质的热边界层。
7.根据权利要求1所述的热传递管，其特征在于，所述管元件是与所述管一体地形成的螺旋特征。
8.根据权利要求1所述的热传递管，其特征在于，所述热传递管进一步包括单个整体式管元件，所述单个整体式管元件在垂直于所述管长度的横截面处从所述内管壁沿径向向内延伸。
9.根据权利要求1所述的热传递管，其特征在于，所述管由第一材料形成，并且所述管元件由与所述第一材料不同的第二材料形成。
10.根据权利要求1所述的热传递管，其特征在于，所述热传递管进一步包括一个或多个表面增强件，所述一个或多个表面增强件包括轴向的、螺旋的或交叉影线的微翅片或凹状腔中的一个或多个。
11.一种管壳式热交换器，包括：
壳体；
热交换器管，其延伸通过所述壳体并具有流过所述热交换器管的热传递介质，所述热交换器管包括：
管，其具有内管壁；以及
管元件，其沿着管长度并且从所述内管壁沿径向向内延伸，所述管元件具有小于所述管的液压半径的径向元件高度，并且所述径向元件高度大于在所述内管壁处的基部元件宽度；以及
制冷剂入口，其用以使制冷剂在所述热交换器管上流动，以用于所述制冷剂与所述热传递介质之间的热能交换。
12.根据权利要求11所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管元件沿着所述管长度螺旋地延伸。
13.根据权利要求12所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管元件具有在1至20的范围中的节距与液压直径的比。
14.根据权利要求11所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管元件沿着所述管长度断续地延伸。
15.根据权利要求14所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管元件包括第一元件部分和与所述第一元件部分分开的第二元件部分，所述第一元件部分和所述第二元件部分沿着所述管的纵向方向重叠。
16.根据权利要求11所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管元件构造成延伸通过流过所述管元件的热传递介质的热边界层。
17.根据权利要求11所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管元件是与所述管一体地形成的螺旋特征。
18.根据权利要求11所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管壳式热交换器进一步包括单个整体式管元件，所述单个整体式管元件在垂直于所述管长度的横截面处从所述内管壁沿径向向内延伸。
19.根据权利要求11所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管由第一材料形成，并且所述管元件由与所述第一材料不同的第二材料形成。
20.根据权利要求11所述的管壳式热交换器，其特征在于，所述管壳式热交换器进一步包括一个或多个表面增强件，所述一个或多个表面增强件包括轴向的、螺旋的或交叉影线的微翅片或凹状腔中的一个或多个。
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