CN112815762B - 换热管结构、换热管组件和换热器 - Google Patents
换热管结构、换热管组件和换热器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种换热管结构、换热管组件和换热器，换热管结构包括：换热管和设置在换热管内的辅助流路装置，换热管的管内壁与辅助流路装置的外周面之间间隔布置，以形成环形流路；多个肋板，多个肋板环绕辅助流路装置的中心线间隔布置，换热管通过多个肋板与辅助流路装置连接，环形流路被多个肋板分隔为多个流路分部；其中，辅助流路装置上设置有多个连通管路，任意两个流路分部之间均通过多个连通管路连通。本发明的换热管结构解决了现有技术中换热器的换热管内壁在非共沸混合制冷剂的相变过程中容易出现局部干燥的问题。
Description
技术领域
本发明涉及换热技术领域，具体而言，涉及一种换热管结构、换热管组件和换热器。
背景技术
换热器是能量转化与传递过程中的重要设备，其通过与换热管壁的热传导使得两种温度的流体之间完成热量的交换。
近年来，在节能减排以及绿色环保的共识下，换热器在换热过程中中常采用不同沸点的混合制冷剂，但由于其自身物理性质及传质阻力的影响，易引起换热管壁的温度不均匀，从而降低换热性能。
目前，主要通过在换热器内部采用不同的管路结构以为工质的相变过程提供更多的核化点，并增强流体的扰动，从而达到提升换热效果的目的。
现有的换热器的管路结构大多针对于单工质制冷剂，通过提供更多的核化点及增强流体扰动以达到更好的换热效果，但是对于非共沸混合制冷剂来说，其容易受到非线性的物性变化及两相传质阻力的影响，现有的换热器的管路结构对混合制冷剂的改善效果并不占主导作用，因此对于沸点不同的混合工质制冷剂的强化换热效果不够理想，不适用于采用非共沸工质换热系统。
对此，有人曾提出在内三个套筒的外表面上设置多根纵向肋，将每个圆环通道分成与肋数相对应的多个扇形通道，并将纵向肋沿通道的延伸方向分为多组，各组之间交叉布置以形成对气流的扰动，以实现强化换热效果的目的，这在技术上有一定的进步，但是该方案中流体扰动对于采取混合制冷剂系统的性能改善效果不佳，且无法解决非共沸混合制冷剂相变过程中传质阻力过大及换热管壁在制冷剂的相变过程中由于制冷剂受热不均，局部受热严重导致相变蒸发程度较大或者制冷剂受重力影响分布不均，没有与换热管管内壁充分接触而容易出现的局部干燥的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种换热管结构、换热管组件和换热器，以解决现有技术中换热器的换热管内壁在非共沸混合制冷剂的相变过程中容易出现局部干燥的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种换热管结构，包括：换热管和设置在换热管内的多个辅助流路装置，换热管的管内壁与辅助流路装置的外周面之间间隔布置，以形成环形流路；多个肋板，多个肋板环绕辅助流路装置的中心线间隔布置，换热管通过多个肋板与辅助流路装置连接，环形流路被多个肋板分隔为多个流路分部；其中，辅助流路装置上设置有多个连通管路，任意两个流路分部之间均通过多个连通管路连通。
进一步地，沿辅助流路装置的延伸方向，多个连通管路分为多个间隔布置的连通管组，各个连通管组均包括多个连通管路。
进一步地，各个连通管组中的多个连通管路之间间隔布置，多个连通管路的中心线相互平行。
进一步地，各个连通管组中的多个连通管路的中心线均位于垂直于辅助流路装置的中心线的同一预定截面上。
进一步地，换热管的管内壁和辅助流路装置的外周面之间的最小距离为L，换热管为圆管结构，换热管的管内半径为R，其中，R/2<L<R/4。
进一步地，换热管为圆管结构，换热管的管内半径为R，其中，3mm<R<9.8mm。
进一步地，换热管的管内壁上设置有与多个肋板一一对应的多个第一凹槽；辅助流路装置的外周面上设置有与多个肋板一一对应的多个第二凹槽；各个肋板包括板体部和设置在板体部两侧的第一凸出部和第二凸出部，分别用于插入相应的第一凹槽和相应的第二凹槽内，以将换热管和辅助流路装置之间相对固定。
进一步地，连通管路为圆柱状管路，连通管路的半径为r，其中0.2mm<r<0.4mm。
进一步地，各个连通管组中的连通管路的数量为n，其中，4<n<8。
进一步地，换热管的管内壁和辅助流路装置的外周面之间的最小距离为L，换热管为圆管结构，换热管的管内半径为R；连通管路为圆柱状，连通管路的半径为r，各个连通管组中的连通管路的数量为n，各个连通管组中的相邻两个连通管路的中心线之间的最小距离为S1；相邻两个连通管组的连通管路的中心线所在的垂直于辅助流路装置的轴线方向的横截面之间的最短距离为S2；其中，[2π(R-L)-6nr]/3(n+1)＝S1；和/或2S1<S2<5S1。
进一步地，肋板的数量为3，在垂直于辅助流路装置的延伸方向的预定平面上，任意两个连通管组中的连通管路的投影的中心线之间的夹角为120度；在预定平面上，任意3个依次设置的连通管组中的连通管路的投影的中心线环绕辅助流路装置的中心线交错布置。
根据本发明的第二方面，提供了一种换热管组件，换热管组件包括多个直管段和将相邻两个直管段连接的弯管段，至少一个直管段为上述的换热管结构。
根据本发明的第三方面，提供了一种换热器，包括换热管组件，换热管组件为上述的换热管组件。
应用本发明的技术方案，本发明的换热管结构通过在换热管内设置辅助流路装置，环绕辅助流路装置设置多个肋板以将辅助流路装置与换热管连接，并将换热管的管内壁与辅助流路装置之间的环形流路分隔为多个流路分部，通过在辅助流路装置上设置多个连通管路，以将任意两个流路分部之间连通，通过表面张性作用力的作用将位于连通管路一端的流路分部中的制冷剂输送到位于连通管路另一端的制冷剂的含量不足的流路分部中，以满足其相变换热的需求，连通管路的设置使得制冷剂液相在几个流路分部中的分布更加均匀，在保证不出现管路局部干燥的前提下增加液相制冷剂与换热管的管内壁的接触面积，从而增大其相变蒸发的程度，使得非共沸混合制冷剂相变过程中传质阻力过大的问题的得到改善，提高了换热系数，解决了换热管的管内壁在制冷剂的相变过程中由于制冷剂受热不均，局部受热严重导致相变蒸发程度较大或者制冷剂受重力影响分布不均，没有与换热管管内壁充分接触而容易出现的局部干燥的问题，避免了换热管的管壁温度分布不均匀的问题，提高了换热管的换热性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的换热管结构的实施例的结构示意图；
图2示出了图1所示的换热管结构的侧视图；
图3示出了图1所示的换热管结构的横截面的示意图；
图4示出了图1所示的换热管结构中的换热管的侧视图；
图5示出了图1所示的换热管结构中的辅助流路装置的主视图；
图6示出了图1所示的换热管结构中的辅助流路装置的侧视图；
图7示出了图1所示的换热管结构中的肋板的侧视图；以及
图8示出了具有图1所示的换热管结构的换热管组件的主视图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、换热管；101、直管段；102、弯管段；11、第一凹槽；12、流路分部；2、辅助流路装置；21、第二凹槽；3、肋板；31、板体部；32、第一凸出部；33、第二凸出部；40、连通管组；4、连通管路。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图7所示，本发明提供了一种换热管结构，包括：换热管1和设置在换热管1内的辅助流路装置2，换热管1的管内壁与辅助流路装置2的外周面之间间隔布置，以形成环形流路；多个肋板3，多个肋板3环绕辅助流路装置2的中心线间隔布置，换热管1通过多个肋板3与辅助流路装置2连接，环形流路被多个肋板3分隔为多个流路分部12；其中，辅助流路装置2上设置有多个连通管路4，任意两个流路分部12之间均通过多个连通管路4连通。
本发明的换热管结构通过在换热管1内设置辅助流路装置2，环绕辅助流路装置2设置多个肋板3以将辅助流路装置2与换热管1连接，并将换热管1的管内壁与辅助流路装置2之间的环形流路分隔为多个流路分部12，通过在辅助流路装置2上设置多个连通管路4，以将任意两个流路分部12之间连通，通过表面张性作用力的作用将位于连通管路4一端的流路分部12中的制冷剂输送到位于连通管路4另一端的制冷剂的含量不足的流路分部12中，以满足其相变换热的需求，连通管路4的设置使得制冷剂液相在几个流路分部中的分布更加均匀，在保证不出现管路局部干燥的前提下增加液相制冷剂与换热管1的管内壁的接触面积，从而增大其相变蒸发的程度，使得非共沸混合制冷剂相变过程中传质阻力过大的问题的得到改善，提高了换热系数，解决了换热管的管内壁在制冷剂的相变过程中由于制冷剂受热不均，局部受热严重导致相变蒸发程度较大或者制冷剂受重力影响分布不均，没有与换热管管内壁充分接触而容易出现的局部干燥的问题，避免了换热管的管壁温度分布不均匀的问题，提高了换热管的换热性能。
辅助流路装置2中的液态制冷剂在表面张性作用力下能够从位于连通管路4一端的流路分部12到达位于连通管路4另一端的制冷剂的含量不足的流路分部12中，以满足其相变换热的需求，使得液态制冷剂能够在各个的流路分部12内均匀分布，并与换热管1的管内壁以最大面积接触，以进行充分换热，缓解换热管1的管内壁的表面局部干燥的现象，避免换热管1的管壁温度分布不均匀的问题，强化了制冷剂的换热效果，在相同充灌量的条件下，能够缩短液态制冷剂的相变过程所需的时间，从而缩短所需的换热管1的长度。
具体地，辅助流路装置2中的连通管路4能够在保证制冷剂分布均匀不出现换热管1的管内壁局部干燥的前提下增加工质干度，使壁面液膜变薄，提高换热系数，同时使该流路分部12中气态制冷剂所占比例提高，气液两相制冷剂的交界面积增加，液态制冷剂中易挥发的物质更容易到达气泡界面或汽液相交界面以完成蒸发过程，汽、液相组分浓度差异所产生的附加传质阻力降低，强化相变换热效果。
如图1和图5所示，沿辅助流路装置2的延伸方向，多个连通管路4分为多个间隔布置的连通管组40，各个连通管组40均包括多个连通管路4。任意两个流路分部12之间均通过至少一个连通管组40连通。
如图2和图5所示，各个连通管组40中的多个连通管路4之间间隔布置，多个连通管路4的中心线相互平行。这样，有利于连通管路4的设置和加工，也有利于制冷剂的流动。
优选地，各个连通管组40中的多个连通管路4的中心线均位于垂直于辅助流路装置2的中心线的同一预定截面上。
如图2和图4所示，换热管1的管内壁和辅助流路装置2的外周面之间的最小距离为L，换热管1为圆管结构，换热管1的管内半径为R，其中，R/2<L<R/4。这样，能够保证换热管1的管内壁和辅助流路装置2的外周面具有足够的距离来使环形流路具有足够的流体流通截面积并使制冷剂具有较小的流动阻力。
如图4所示，换热管1为圆管结构，换热管1的管内半径为R，其中，3mm<R<9.8mm。这样，能够保证换热管1的管内壁和制冷剂之间有较大的接触面积，有利于制冷剂与换热管1外部的换热。
如图4、图6和图7所示，换热管1的管内壁上设置有与多个肋板3一一对应的多个第一凹槽11；辅助流路装置2的外周面上设置有与多个肋板3一一对应的多个第二凹槽21；各个肋板3包括板体部31和设置在板体部31两侧的第一凸出部32和第二凸出部33，分别用于插入相应的第一凹槽11和相应的第二凹槽21内，以将换热管1和辅助流路装置2之间相对固定。
肋板3通过位于板体部31两侧的第一凸出部32和第二凸出部33分别插入换热管1的管内壁上的第一凹槽11及辅助流路装置2的外周面上的第二凹槽21中，以使辅助流路装置2固定安装在换热管1中，换热管1的管内壁、辅助流路装置2的外周面以及肋板3共同构成多个流路分部12。
优选地，连通管路4为圆柱状管路，连通管路4的半径为r，其中0.2mm<r<0.4mm。连通管路4的半径的设置能够使得制冷剂具有较大的表面张性作用力，有利于制冷剂在表面张性作用力的作用下在各个流路分部12之间的流动。
优选地，各个连通管组40中的连通管路4的数量为n，其中，4<n<8。进一步优选地，n＝5。
如图5所示，换热管1的管内壁和辅助流路装置2的外周面之间的最小距离为L，换热管1为圆管结构，换热管1的管内半径为R；连通管路4为圆柱状，连通管路4的半径为r，各个连通管组40中的连通管路4的数量为n，各个连通管组40中的相邻两个连通管路4的中心线之间的最小距离为S1；相邻两个连通管组40的连通管路4的中心线所在的垂直于辅助流路装置2的轴线方向的横截面之间的最短距离为S2；其中，[2π(R-L)-6nr]/3(n+1)＝S1；和/或2S1<S2<5S1。
具体地，同一连通管组40中的相邻两个连通管路4的中心线之间的最小距离为S1；相邻两个连通管组40中，一个的连通管组40中连通管路4的中心线所在的垂直于辅助流路装置2的轴线方向的横截面与另一个的连通管组40中连通管路4的中心线所在的垂直于辅助流路装置2的轴线方向的横截面之间的最短距离为S2。当[2π(R-L)-6nr]/3(n+1)＝S1；和/或2S1<S2<5S1时，多个连通管路4在表面张性作用力的作用下能够将足够的液态制冷剂输送到液态制冷剂含量不足的流路分部12内，使得制冷剂能够均匀地分布在不同的流路分部12内，较好地缓解了换热管1内表面局部干燥的现象。
在本发明的图1至图7所示的实施例中，肋板3的数量为3，在垂直于辅助流路装置2的延伸方向的预定平面上，任意两个连通管组40中的连通管路4的投影的中心线之间的夹角为120度；在预定平面上，任意3个依次设置的连通管组40中的连通管路4的投影的中心线环绕辅助流路装置2的中心线交错布置。
具体地，换热管1为圆管结构，辅助流路装置2为圆柱结构，换热管1的轴线和辅助流路装置2的轴线重合布置，3个肋板3环绕辅助流路装置2的轴线间隔布置，相应地，换热管1的管内壁上的第一凹槽11及辅助流路装置2的外周面上的第二凹槽21均为3个，3个第一凹槽11环绕换热管1的轴线呈120度均匀分布，3个第二凹槽21环绕辅助流路装置2的轴线呈120度均匀分布，肋板3通过位于板体部31两侧的第一凸出部32和第二凸出部33分别插入换热管1的管内壁上的第一凹槽11和辅助流路装置2的外周面上的第二凹槽21中，以将环形流路均匀分隔为3个流路分部12。
辅助流路装置2中连通管组40的个数大于或等于3，以使任意两个流路分部12之间连通，任意依次布置的3个连通管组40中的连通管路4在预定平面上的投影的中心线绕辅助流路装置2的中心线交错布置，即任意依次布置的3个连通管组40中的连通管路4在预定平面上的投影的中心线两两均不重合。
如图8所示，本发明提供了一种换热管组件，换热管组件包括多个直管段101和将相邻两个直管段101连接的弯管段102，至少一个直管段101为上述的换热管结构。
具体地，换热管组件的直管段101内设置有辅助流路装置2及肋板3，制冷剂在直管段101的流路分部12内流动并与位于换热管组件外部的制冷剂进行相变换热，弯管段102内不设置肋板3，以使得制冷剂在此处汇聚混合，然后进入下一段直管段101的流路分部12内。
优选地，靠近换热管组件的出口端的直管段101内设置有辅助流路装置2及肋板3，由于靠近换热管组件的进口端的部分，液相制冷剂还没有充分换热，辅助流路装置2的效果不够明显，而在靠近换热管组件的出口端的部分，制冷剂已逐渐转为气液两相状态，辅助流路装置2能够调整液态制冷剂的位置，以使其在各个流路分部12内均匀分布，提高换热管组件的换热性能。
当不同沸点的混合制冷剂进入直管段101内时，制冷剂流入各个流路分部12内，在不同的流路分部12内发生相变过程与换热管1外部的制冷剂进行热量交换，辅助流路装置2内部的连通管路4在表面张性作用力的作用下能够将液态制冷剂输送到液态制冷剂含量不足的流路分部12内，使得制冷剂能够均匀地分布在不同的流路分部12中，以达到使液态制冷剂与换热管1的管内壁以最大面积接触的目的，缓解了换热管1的管内壁的局部干燥的现象，避免了换热管1的管壁的温度分布不均匀的现象，防止了非共沸混合制冷剂因换热管1的管壁的温度分布不均匀及换热管1的管壁的局部干燥而导致换热性能降低的现象的发生，使非共沸混合制冷剂在蒸发过程中的周向温度分布的不均匀性得到改善，提高了制冷剂的换热效果，在相同充灌量的条件下，缩短了液态制冷剂相变所需的时间，从而能够缩短所需的换热管结构的长度。
本发明还提供了一种换热器，包括换热管组件，换热管组件为上述的换热管组件。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本发明的换热管结构通过在换热管1内设置辅助流路装置2，环绕辅助流路装置2设置多个肋板3以将辅助流路装置2与换热管1连接，并将换热管1的管内壁与辅助流路装置2之间的环形流路分隔为多个流路分部12，通过在辅助流路装置2上设置多个连通管路4，以将任意两个流路分部12之间连通，通过表面张性作用力的作用将位于连通管路4一端的流路分部12中的制冷剂输送到位于连通管路4另一端的制冷剂的含量不足的流路分部12中，以满足其相变换热的需求，连通管路4的设置使得制冷剂液相在几个流路分部中的分布更加均匀，在保证不出现管路局部干燥的前提下增加液相制冷剂与换热管1的管内壁的接触面积，从而增大其相变蒸发的程度，使得非共沸混合制冷剂相变过程中传质阻力过大的问题的得到改善，提高了换热系数，解决了换热管的管内壁在制冷剂的相变过程中由于制冷剂受热不均，局部受热严重导致相变蒸发程度较大或者制冷剂受重力影响分布不均，没有与换热管管内壁充分接触而容易出现的局部干燥的问题，避免了换热管的管壁温度分布不均匀的问题，提高了换热管的换热性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种换热管结构，其特征在于，包括：
换热管(1)和设置在所述换热管(1)内的辅助流路装置(2)，所述换热管(1)的管内壁与所述辅助流路装置(2)的外周面之间间隔布置，以形成环形流路；
多个肋板(3)，所述多个肋板(3)环绕所述辅助流路装置(2)的中心线间隔布置，所述换热管(1)通过所述多个肋板(3)与所述辅助流路装置(2)连接，所述环形流路被所述多个肋板(3)分隔为多个流路分部(12)；
其中，所述辅助流路装置(2)上设置有多个连通管路(4)，任意两个所述流路分部(12)之间均通过多个所述连通管路(4)连通；
所述换热管(1)的管内壁上设置有与多个肋板(3)一一对应的多个第一凹槽(11)；
所述辅助流路装置(2)的外周面上设置有与多个肋板(3)一一对应的多个第二凹槽(21)；
各个所述肋板(3)包括板体部(31)和设置在所述板体部(31)两侧的第一凸出部(32)和第二凸出部(33)，分别用于插入相应的所述第一凹槽(11)和相应的所述第二凹槽(21)内，以将所述换热管(1)和所述辅助流路装置(2)之间相对固定；
所述连通管路(4)为圆柱状管路，所述连通管路(4)的半径为r，其中0.2mm<r<0.4mm；
沿所述辅助流路装置(2)的延伸方向，所述多个连通管路(4)分为多个间隔布置的连通管组(40)，各个所述连通管组(40)均包括多个所述连通管路(4)；
各个所述连通管组(40)中的多个所述连通管路(4)的中心线均位于垂直于所述辅助流路装置(2)的中心线的同一预定截面上；
所述换热管(1)的管内壁和所述辅助流路装置(2)的外周面之间的最小距离为L，所述换热管(1)为圆管结构，所述换热管(1)的管内半径为R；
所述连通管路(4)为圆柱状，所述连通管路(4)的半径为r，各个所述连通管组(40)中的所述连通管路(4)的数量为n，各个所述连通管组(40)中的相邻两个所述连通管路(4)的中心线之间的最小距离为S1；
相邻两个所述连通管组(40)的所述连通管路(4)的中心线所在的垂直于所述辅助流路装置(2)的轴线方向的横截面之间的最短距离为S2；
其中：[2π(R-L)-6nr]/3(n+1)＝S1；2S1<S2<5S1。
2.根据权利要求1所述的换热管结构，其特征在于，各个所述连通管组(40)中的多个所述连通管路(4)之间间隔布置，多个所述连通管路(4)的中心线相互平行。
3.根据权利要求1所述的换热管结构，其特征在于，所述换热管(1)的管内壁和所述辅助流路装置(2)的外周面之间的最小距离为L，所述换热管(1)为圆管结构，所述换热管(1)的管内半径为R，其中，R/2<L<R/4。
4.根据权利要求1所述的换热管结构，其特征在于，所述换热管(1)为圆管结构，所述换热管(1)的管内半径为R，其中，3mm<R<9.8mm。
5.根据权利要求1所述的换热管结构，其特征在于，各个所述连通管组(40)中的所述连通管路(4)的数量为n，其中，4<n<8。
6.根据权利要求1所述的换热管结构，其特征在于，所述肋板(3)的个数为3，在垂直于所述辅助流路装置(2)的延伸方向的预定平面上，任意两个所述连通管组(40)中的所述连通管路(4)的投影的中心线之间的夹角为120度；在所述预定平面上，任意3个依次设置的所述连通管组(40)中的所述连通管路(4)的投影的中心线环绕所述辅助流路装置(2)的中心线交错布置。
7.一种换热管组件，所述换热管组件包括多个直管段(101)和将相邻两个所述直管段(101)连接的弯管段(102)，其特征在于，至少一个所述直管段(101)为权利要求1至6中任一项所述的换热管结构。
8.一种换热器，包括换热管组件，其特征在于，所述换热管组件为权利要求7所述的换热管组件。
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