CN114963837A - 一种换热管、换热器及使用该换热器的制冷系统 - Google Patents

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CN114963837A CN202110197799.8A CN202110197799A CN114963837A CN 114963837 A CN114963837 A CN 114963837A CN 202110197799 A CN202110197799 A CN 202110197799A CN 114963837 A CN114963837 A CN 114963837A
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马小魁
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York Guangzhou Air Conditioning and Refrigeration Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种换热管，包括：管体，管体具有内壁和轴线，管体的两端具有入口和出口；数个螺纹齿，数个螺纹齿相互间隔开地设置在内壁上；其中，螺纹齿的横截面形状为梯形。本申请通过将换热管的螺纹齿的齿顶角α、螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w这些参数中的一部分参数设置在一定范围内并满足一定关系时，能够在单位长度内的换热管的换热效率保持在一定范围内的情况下，得到优化重量和压降的换热管，从而减少换热管以及包括该换热管的换热器的成本，同时能够避免螺纹齿在换热管被胀管的过程中损坏。本申请还公开了包括这些换热管的换热器以及使用该换热器的空调系统。

Description

一种换热管、换热器及使用该换热器的制冷系统
技术领域
本申请涉及制冷系统领域，特别涉及一种换热管、换热器及使用该换热器的制冷系统。
背景技术
风冷换热器在制冷系统中能够作为冷凝器或蒸发器使用。在制冷系统中，风冷换热器能够使制冷剂与环境空气进行热交换，从而使制冷剂放热而被冷凝，或者使制冷剂吸热而被蒸发。管翅式换热器是一种常用的风冷换热器，它包括换热管和翅片。制冷系统中的制冷剂从换热管内流过，通过管壁和翅片传热后，与环境空气进行热交换而发生冷凝或蒸发。
发明内容
一种换热管的内壁具有向内凸出的齿形结构，一方面，齿形结构虽然能够增强换热管的换热性能，但是也会增大换热管的重量，从而增加换热管的成本。并且齿形结构会使得换热管内的流体的流动阻力增加，流体流过换热管的压力损失(即压降)增大。此外，为了减小换热器的压降，需要增加换热器中换热管的数量，反而导致换热器的成本增加。因此，如何平衡换热管的换热性能、压降及重量在换热管的齿形结构的设计中非常重要。另一方面，这种换热管作为管翅式换热器中的换热管使用时，换热管需要通过胀管工艺与翅片连接。胀管工艺可能会对换热管内壁上的齿形结构造成影响。
本申请的在第一方面的目的是提供一种换热管，所述换热管包括：管体，所述管体具有内壁和轴线，所述管体的两端具有入口和出口；数个螺纹齿，所述数个螺纹齿相互间隔开地设置在所述管体的所述内壁上，所述数个螺纹齿围绕所述管体的轴线从所述管体的所述入口螺旋延伸至所述管体的所述出口；其中，所述螺纹齿的横截面形状为梯形，所述管体的壁厚Bwt为0.25～0.27mm；所述螺纹齿具有成本系数c，所述成本系数
Figure BDA0002946432110000021
其中，所述螺纹齿的齿顶角α、螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w，以及所述管体的管外径D满足：所述管外径D为6.8～7.2mm，并且c为0.1075～0.1935；或所述管外径D为9.32～9.72mm，并且c为0.1413～0.1918。
根据上述第一方面，当所述螺纹齿的螺旋角β、齿高Fh和齿底宽w，以及所述管体的管外径D满足时，所述齿数n为40～58，所述齿高Fh为0.12～0.18mm，所述齿底宽w为0.113～0.171mm，并且所述齿顶角α为17～22°；当所述螺纹齿的螺旋角β、齿高Fh和齿底宽w，以及所述管体的管外径D满足时，所述齿数n为51～79，所述齿高Fh为0.13～0.16mm，所述齿底宽w为0.125～0.188mm，所述齿顶角α为16～30°。
根据上述第一方面，所述螺纹齿具有螺旋角系数a，所述螺旋角系数
Figure BDA0002946432110000022
其中，当所述螺纹齿的螺旋角β、齿高Fh和齿底宽w，以及所述管体的管外径D满足时，所述a为0.008～0.022；当所述螺纹齿的螺旋角β、齿高Fh和齿底宽w，以及所述管体的管外径D满足时，所述a为0.005～0.017。
根据上述第一方面，所述螺纹齿的螺旋角β为8～19°。
根据上述第一方面，所述换热管的材料为铜。
根据上述第一方面，所述数个螺纹齿和所述管体通过挤压成型工艺一体形成。
根据上述第一方面，所述换热管被配置为通过胀管工艺与翅片连接。
本申请在第二方面的目的是提供一种换热器，所述换热器包括：数个根据上述第一方面所述的换热管；数个翅片；其中，每个所述换热管通过胀管工艺与所述数个翅片相连。
根据上述第二方面，所述换热器为风冷换热器。
本申请在第三方面的目的是提供一种制冷系统，所述制冷系统包括：连接在制冷循环中的压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器；其中，所述冷凝器和所述蒸发器中的至少一个采用第二方面所述的换热器。
本申请通过将换热管的螺纹齿的齿顶角α、螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽 w这些参数中的一部分参数设置在一定范围内并满足一定关系时，能够在单位长度内的换热管的换热效率保持在一定范围内的情况下，得到优化重量和压降的换热管，从而减少换热管以及包括该换热管的换热器的成本，同时能够避免螺纹齿在换热管被胀管的过程中损坏。
附图说明
图1为本申请的制冷系统的示意性框图；
图2A为图1中的风冷换热器的一个实施例的立体结构图；
图2B为图2A中的局部放大图；
图3A为本申请的换热管的立体结构图；
图3B为图3A中的换热管的径向剖视图；
图4为图3B的局部放大图；
图5为图3A中的换热管沿其轴向的剖视图。
具体实施方式
下面将参考构成本说明书一部分的附图对本发明的各种具体实施方式进行描述。应该理解的是，虽然在本申请中使用表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等描述本申请的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本申请所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制。在可能的情况下，本申请中使用的相同或者相类似的附图标记指的是相同的部件。
图1为本申请的制冷系统的示意性框图，用于说明风冷换热器在制冷系统中的位置和功能。如图1所示，制冷系统150包括压缩机110、冷凝器120、节流装置130 和蒸发器140，它们通过管路连接成一个封闭的系统，并在系统中充注有制冷剂。其中，制冷剂依次流经压缩机110、冷凝器120、节流装置130和蒸发器140，使得制冷系统150能够对外制冷或制热。具体而言，压缩机110排出的高压气体制冷剂流入冷凝器120，在冷凝器120中释放出热量而被冷凝为高压液体制冷剂，然后流入节流装置130，节流为低压液体制冷剂后再流入蒸发器140中，在蒸发器140中吸收热量而被蒸发为低压气体制冷剂，最后重新流入压缩机110，完成制冷剂的循环。
作为一个示例，冷凝器120和蒸发器140中的至少一个为风冷换热器。流经冷凝器120的制冷剂能够与外界的空气进行热交换。当制冷剂在冷凝器120中释放出热量时，外界的空气吸收热量而变热；当制冷剂在蒸发器140中吸收热量时，外界的空气释放热量而变冷。
图2A和2B为图1中的风冷换热器的一个实施例的结构示意图，在本实施例中，风冷换热器为管翅式换热器。其中图2A为风冷换热器的立体结构图，图2B为风冷换热器的局部放大图。在本实施例中，冷凝器120为风冷换热器。
如图2A和图2B所示，冷凝器120包括数根换热管200和数个翅片221，它们连接在一起以形成管翅式换热器。作为一个示例，管翅式换热器为铜管铝翅片换热器，换热管为铜制成，翅片为铝制成。冷凝器120的后侧为进风侧224，前侧为出风侧222，空气流从后至前地流经冷凝器120，与冷凝器120中的制冷剂流体进行热交换。在本实施例中，冷凝器120大致为中部平坦，左右两侧朝出风侧222弯折的形状。在其他实施例中，冷凝器120也可以仅包括平坦形状的部分。
具体来说，每个翅片221沿纵向延伸，并且相互间隔地排列，以使得在相邻的翅片221之间能够形成供空气流过的气体通道。每个翅片221上设有位置相同的数个管孔227，管孔227用于供换热管200穿过其中。作为一个示例，翅片221大致平行地排列。
每根换热管200沿横向延伸，并且依次穿过各个翅片221上的一个管孔227，并通过胀管工艺使换热管发生变形，从而与相应的管孔227胀接在一起。具体来说，在胀管前，换热管200的外径略小于管孔227的孔径，以便于换热管200插入管孔227 内。在胀管过程中，尺寸大于换热管200内径的胀管头插入换热管200内，使换热管 200发生塑性变形而扩大管径至与管孔227紧密连接在一起。
冷凝器120还包括数个U形管231，换热管200的端部可以通过这些U形管231 连接，以使得这些换热管200的内部相互连通，从而形成供制冷剂流过的流体通道。
当外界空气从前至后流经冷凝器120时，空气与翅片221接触，经过翅片221和换热管200的管壁传热后，与换热管200内部的制冷剂进行热交换。换热管200内的制冷剂能够向空气中散热。
图3A和3B中示出了换热管200的具体结构，其中图3A示出了换热管200的立体结构图，用于说明换热管的大致结构；图3B示出了换热管的径向剖视图，用于说明换热管200的内壁上的齿形结构。
如图3A和3B所示，换热管200包括管体301、第一端303和第二端304，其中管体301具有轴线x，第一端303和第二端304分别设置在管体301沿轴线x方向上的两端。作为一个示例，制冷剂从第一端303流入管体301内，并从第二端304流出，使得第一端303作为制冷剂的入口，第二端304作为制冷剂的出口。当然，制冷剂也可以从第二端304流入，而从第一端303流出。
管体301具有内壁302，换热管200还包括间隔地设置在内壁302上的数个螺纹齿316，螺纹齿316与管体301通过挤压成型工艺一体成型。这些螺纹齿316围绕管体301的轴线x螺旋延伸设置，作为一个示例，这些螺纹齿306从管体第一端303螺旋延伸至管体第二端304(参见图5)。管体301具有壁厚Bwt，壁厚Bwt表示管体301 的内壁302和外壁之间的距离。螺纹齿316具有齿数n，齿数n表示螺纹齿316的数量。
作为一个示例，每根螺纹齿316可以具有相同的形状，为了减小胀管工艺对螺纹齿316的影响，其截面形状为梯形。
图4示出了图3B的虚线框315部分的局部放大图，用于进一步示出螺纹齿316 的具体结构。如图4所示，截面为梯形的螺纹齿316具有齿底宽w、齿顶角α以及齿高Fh。
在如图所示的实施例中，齿高h为螺纹齿316与管体的内壁302之间的垂直距离，齿底宽w表示梯形的螺纹齿316的底边的长度，齿顶角α表示梯形的螺纹齿316的两个腰之间形成的夹角。
图5为换热管200沿其轴线x方向的剖视图，用于从另一个角度示出换热管200 以及螺纹齿316的具体形状。如图5所示，换热管200的管外径为D，管外径D为管体外壁的截面直径，在壁厚一定并且螺纹齿316的齿形形状大致保持不变的情况下，管外径D越大，能够容纳更多的螺纹齿316。可以理解的是，换热管200的管外径D 在胀管之后会稍稍变大，以与翅片221上的管孔227连接。
螺纹齿316还具有螺旋角β，在如图所示的实施例中，螺旋角α表示螺纹齿316 与轴线x之间所夹的锐角。
在换热管200的内壁上设置向内凸出的齿形结构虽然能够增加制冷剂与换热管200的内壁之间换热面积，并且带来湍流扰动而进一步增加换热性能，但是却会增加换热管的重量，导致成本增加。并且，制冷剂在换热管200内的湍流扰动会使制冷剂流动的阻力增加，制冷剂流过换热管200的压力损失(即压降)增大，该压降会影响管内制冷剂的蒸发和冷凝温度。因此，在换热管组成换热器后，为了减小换热器的压降，需要增加换热器中换热管200的数量，会导致换热器的成本增加。
在换热管的应用中，人们主要关心单根换热管的重量、换热效率和压降这三种指标。但是申请人发现，往往这三种指标不能同时达到最优化。申请人还发现，在不同的情况下，可以重点关注这三种指标中的其中一种或几种指标，只要某几种指标处于优化状态，而另外的指标维持基本不变，就能够满足不同的换热器需求。
换热管的重量、换热效率和压降这三种指标主要是由换热管的螺纹齿的螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w、齿顶角α这些参数决定的。同时，考虑到换热管会经过胀管工艺处理，在胀管工艺中螺纹齿会被挤压，因此齿高Fh和齿顶角α需要在一定的范围内，以避免胀管工艺影响螺纹齿的齿形，使实际换热器中的换热管与预期相差过大。
其中，换热管的螺纹齿的螺旋角β对单位长度内的换热管重量几乎不产生影响，而齿数n、齿高Fh、齿底宽w、齿顶角α均会对单位长度内的换热管重量产生正面的影响，即单位长度内的换热管重量会随着齿数n、齿高Fh、齿底宽w、齿顶角α的增大而增大，并且随着它们的减小而减小。
在此基础上，申请人还关注了换热管的换热效率和压降。当螺旋角β、齿数n、齿高Fh和齿底宽w增大时，能够在增加换热效率的同时增加压降，并且当齿顶角α增大时，能够在增加换热效率的同时减小压降；当螺旋角β、齿数n、齿高Fh和齿底宽w 减小时，能够在减小压降的同时减小换热效率，并且当齿顶角α减小时，会在增加压降的同时减小换热效率。
申请人发现，虽然改变螺纹齿的螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w、齿顶角α均会对换热管的换热效率、压降和单位长度内换热管重量造成影响，但是这些参数各自在其一定变化范围内对于它们可能产生影响的程度却并不相同。使得在某些特定的范围内，协同调节这些参数时，会对压降、换热效率和单位长度内的换热管重量产生不同于单独调节这些参数时产生的影响。
以下是申请人发现的一种换热管，这种换热管能够在换热效率保持在一定范围内的情况下，在优化单位长度内的换热管重量的同时也优化了压降，从而使换热管和由该换热管组成的换热器的成本得到优化。
实施例：低成本换热管
在本实施例中，申请人发现，对于管外径D一定并且壁厚一定的换热管而言，当低成本换热管的螺纹齿的螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w、齿顶角α满足一定关系时，低成本换热管能够在几乎不受到胀管工艺影响的前提下，重量能够被降低。再通过将螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w、齿顶角α设置在一定范围内，可以维持换热效率保持基本不变，并且还一定程度上优化了压降。
具体而言，换热管具有成本系数c，成本系数
Figure BDA0002946432110000081
成本系数c的范围与管外径D、壁厚Bwt、螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w和齿顶角α相关，当成本系数c在一定范围内时，能够得到重量得到优化的换热管。
作为一个示例，对于管外径D为7mm，并且壁厚Bwt为0.26mm的换热管来说，成本系数c为0.1075～0.1935。
作为另一个示例，对于管外径D为9.52mm，并且壁厚Bwt为0.26mm的换热管来说，成本系数c为0.1413～0.1918。
然后，进一步将齿数n、齿高Fh、齿底宽w和齿顶角α设置在一定范围，并且螺旋角β满足一定关系时，可以得到基本上维持换热效率不变，并且一定程度上优化了压降的换热管。在本实施例中，螺纹齿还具有螺旋角系数a，螺旋角系数
Figure BDA0002946432110000082
作为一个示例，对于管外径D为7mm，并且壁厚Bwt为0.26mm的换热管来说，齿数n为40～58，齿高Fh为0.12～0.18mm，齿底宽w为0.113～0.171mm，齿顶角α为 17～22°。螺旋角系数a为0.008～0.022，例如螺旋角β为8～19°。
作为另一个示例，对于管外径D为9.52mm，并且壁厚Bwt为0.26mm的换热管来说，齿数n为51～79，所述齿高Fh为0.13～0.16mm，所述齿底宽w为0.125～0.188mm，所述齿顶角α为16～30°。螺旋角系数a为0.005～0.017，例如螺旋角β为8～19°。
需要说明的是，虽然本实施例中以具有标准管外径7mm和9.52mm，壁厚为 0.26mm的低成本换热管举例，但是实际上低成本换热管的管外径及壁厚在该标准管外径及壁厚的一定范围内都具有与该标准管外径的低成本换热管类似的效果，例如管外径为7±0.2mm或管外径为9.52±0.2mm，壁厚为0.26±0.01mm。
为了更清楚的显示换热管的螺纹齿的各个参数对换热管的单位长度的换热管重量以及压降和换热效率的影响，以下设置单换热管作为换热器的换热管，以单管的换热器进行传热实验，测量以相同流速流经换热管的制冷剂的压降和换热管的换热效率，以具体地说明实施例中低成本换热管的不同示例的效果。并且，为了更直观地表现本申请的换热管的效果，在本实施例中，以对比换热管与本申请的一系列低成本换热管的实施例为一组进行分组对比说明，其中对比换热管1和对比换热管2均为市售的换热管。其中表1中示出了各示例的换热管的螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w、齿顶角α和管外径D这些参数。表2和表3中列出单位长度内的各组低成本换热管在压降、换热效率以及换热管重量(简称重量)这三个指标上，与相应的对比换热管之间的比例关系。其中，表2中示出了表1中的对比换热管1与低成本换热管1-13在各个指标的比例关系，表3中示出了表1中的对比换热管2与低成本换热管14-27在各个指标的比例关系。
表1各个换热管的不同参数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表2对比换热管1与低成本换热管1-13在各个指标的比例关系
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure BDA0002946432110000111
表3对比换热管2与低成本换热管14-27在各个指标的比例关系
换热管示例名称 重量％ 水压降％ 换热效率％
对比换热管2 100.00％ 100.00％ 100.00％
低成本换热管14 95.97％ 97.85％ 99.25％
低成本换热管15 95.72％ 97.58％ 98.18％
低成本换热管16 95.71％ 94.72％ 100.32％
低成本换热管17 95.57％ 98.94％ 99.30％
低成本换热管18 95.35％ 94.45％ 101.64％
低成本换热管19 95.32％ 90.91％ 99.01％
低成本换热管20 95.31％ 92.91％ 98.59％
低成本换热管21 95.28％ 92.77％ 99.39％
低成本换热管22 95.23％ 98.89％ 99.32％
低成本换热管23 95.17％ 99.03％ 100.04％
低成本换热管24 95.04％ 92.50％ 98.46％
低成本换热管25 95.03％ 95.81％ 98.28％
低成本换热管26 94.99％ 94.22％ 101.78％
低成本换热管27 94.99％ 97.49％ 98.22％
由表2可以看出，对于管外径为7mm的换热管来说，本实施例中的低成本换热管1-13与对比换热管1相比，每根单位长度的换热管的重量能够至少降低4％以上，甚至低成本换热管13的重量能够降低接近9％，并且压降也降低了5～10％左右。同时，低成本换热管1-13的换热效率能够基本维持与对比换热管1相近的水平，例如换热效率不低于98％。
由表3可以看出，对于管外径为9.52mm的换热管来说，本实施例中的低成本换热管14-27与对比换热管2相比，每根单位长度的换热管的重量能够降低5％左右，并且压降也略有降低，甚至低成本换热管19的压降降低了接近10％。同时，低成本换热管14-27的换热效率能够基本维持与对比换热管2相近的水平，例如换热效率不低于 98％，甚至低成本换热管16、18、23和26的换热效率要高于对比换热管2。
并且，将上述低成本换热管1-27经过胀管工艺处理后，再次进行上述单管传热实验，得到的检测结果与未胀管的结果一致，由此可见胀管工艺未对齿形造成影响。
由此可以看出，本申请的这些低成本换热管能够在维持换热效率不明显降低的情况下，降低单根换热管的重量，并且还降低了压降。单根换热管的重量降低能够节省生产换热管的铜的材料，从而节省换热管的成本。并且单根换热管的压降降低，能够减少换热器需要的换热管数量，从而节省换热器的成本。
尽管参考附图中出示的具体实施方式将对本申请进行描述，但是应当理解，在不背离本申请教导的精神和范围和背景下，本申请的换热管可以有许多变化形式。本领域技术普通技术人员还将意识到有不同的方式来改变本申请所公开的实施例中的结构细节，均落入本发明和权利要求的精神和范围内。

Claims (13)

1.一种换热管，其特征在于：所述换热管(200)包括：
管体(301)，所述管体(301)具有内壁(302)和轴线(x)，所述管体(301)的两端具有入口(303)和出口(304)；
数个螺纹齿(316)，所述数个螺纹齿(316)相互间隔开地设置在所述管体(301)的所述内壁(302)上，所述数个螺纹齿(316)围绕所述管体(301)的轴线(x)从所述管体(301)的所述入口(303)螺旋延伸至所述管体(301)的所述出口(304)；
其中，所述螺纹齿(316)的横截面形状为梯形，所述管体(301)的壁厚Bwt为0.25～0.27mm；
所述螺纹齿(316)具有成本系数c，所述成本系数
Figure FDA0002946432100000011
其中，所述螺纹齿(316)的齿顶角α、螺旋角β、齿数n、齿高Fh、齿底宽w，以及所述管体(301)的管外径D满足：
(i)所述管外径D为6.8～7.2mm，并且c为0.1075～0.1935；或
(ii)所述管外径D为9.32～9.72mm，并且c为0.1413～0.1918。
2.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于：
当所述螺纹齿(316)的螺旋角β、齿高Fh和齿底宽w，以及所述管体(301)的管外径D满足(i)时，所述齿数n为40～58，所述齿高Fh为0.12～0.18mm，所述齿底宽w为0.113～0.171mm，并且所述齿顶角α为17～22°；
当所述螺纹齿(316)的螺旋角β、齿高Fh和齿底宽w，以及所述管体(301)的管外径D满足(ii)时，所述齿数n为51～79，所述齿高Fh为0.13～0.16mm，所述齿底宽w为0.125～0.188mm，所述齿顶角α为16～30°。
3.根据权利要求2所述的换热管，其特征在于：
所述螺纹齿(316)具有螺旋角系数a，所述螺旋角系数
Figure FDA0002946432100000021
其中，当所述螺纹齿(316)的螺旋角β、齿高Fh和齿底宽w，以及所述管体(301)的管外径D满足(i)时，所述a为0.008～0.022；
当所述螺纹齿(316)的螺旋角β、齿高Fh和齿底宽w，以及所述管体(301)的管外径D满足(ii)时，所述a为0.005～0.017。
4.根据权利要求2所述的换热管，其特征在于：
所述螺纹齿(316)的螺旋角β为8～19°。
5.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于：
所述换热管(200)的材料为铜。
6.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于：
所述数个螺纹齿(316)和所述管体(301)通过挤压成型工艺一体形成。
7.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于：
所述换热管(200)被配置为通过胀管工艺与翅片(221)连接。
8.一种换热器，其特征在于：所述换热器包括：
数个根据权利要求1-7中任一项所述的换热管(200)；
数个翅片(221)；
其中，每个所述换热管(200)通过胀管工艺与所述数个翅片(221)相连。
9.根据权利要求8所述的换热器，其特征在于：
所述换热器为风冷换热器。
10.一种制冷系统，其特征在于：所述制冷系统(150)包括：
连接在制冷循环中的压缩机(110)、冷凝器(120)、节流装置(130)和蒸发器(140)；
其中，所述冷凝器(120)和所述蒸发器(140)中的至少一个采用权利要求8所述的换热器。
11.一种换热管，其特征在于包括权利要求1-7中任一项技术特征或者技术特征的任意组合。
12.一种换热器，其特征在于包括权利要求8-9中任一项技术特征或者技术特征的任意组合。
13.一种制冷系统，其特征在于包括权利要求10中任一项技术特征或者技术特征的任意组合。
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