CN115790237A - 一种换热翅片结构、换热管及换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种换热翅片结构、换热管及换热器，涉及换热器件技术领域，解决了现有换热翅片的冷凝传热效率较低的技术问题。该换热翅片结构包括主翅片以及形成于主翅片侧面的多重阶梯状副翅结构，多重阶梯状副翅结构能够在刺破冷凝液膜的同时增加冷凝液膜的表面张力，加速冷凝液向换热翅片的翅根方向流动。本发明通过主翅片侧面的多重阶梯状副翅结构的设计，对冷凝液膜的厚度进行多重减薄，多重的阶梯状设置实现了曲率半径的多重调整和改变，增加了冷凝液膜的表面张力，促进冷凝液膜的迅速排走，设置该换热翅片结构提高了换热管和换热器的冷凝传热效率。

Description

一种换热翅片结构、换热管及换热器

技术领域

本发明涉及换热器件技术领域，尤其是涉及一种换热翅片结构、换热管及换热器。

背景技术

在空调与制冷行业中，卧式冷凝器因结构紧凑，适用性宽广，得到了快速发展。高效、节能以及新冷媒的替代仍是目前研究的主要方向。而随着制冷技术的发展与时代发展的需要，制冷与空调领域对高效节能的需求越来越高，这也对冷凝器中用的高效冷凝换热管的换热性能有越来越高的要求。因为换热管是换热重要的换热和承压单元，因此换热器能效的提升更大程度上取决于其使用的换热管的性能。因此研制更高效、更经济的换热管成为各大空调厂商争相研究的重点和热点领域之一。

提高冷凝换热量Q的方法主要有三种：一是增大传热面积A，但面积的增大会伴随成本的增加；二是增大传热温差，与换热工况有关；三是提高冷凝传热系数k。而实践证明，提高传热系数k是节材节能的最好方法，目前空调商用机组壳管式冷凝器中均采用双侧强化高效换热管提高换热系数k。k值提升主要从提高内侧传热系数hi和外侧传热系数ho入手。

在冷凝器换热过程中，冷凝管外侧的冷媒发生相变进行换热，冷媒在管外凝结形成液膜覆盖在换热管表面，该传热热阻阻碍冷凝液膜对蒸汽和管壁接触的直接接触，凝结量越大液膜越厚，热阻越大，冷凝传热效果越差。热阻分布主要存在于换热管外，根据弱侧强化原则，对管外进行强化显得尤为重要，应最大限度的降低管外热阻提高换热性能；

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

换热管管外冷凝液形成的液膜仍然是影响冷凝传热的主要热阻，特别在冷凝器管束中液膜厚度影响更是明显。现有技术虽然也有通过换热翅片的设计来减薄液膜的尝试，但在实际应用中效果仍不够显著，冷凝传热效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换热翅片结构、换热管及换热器，至少解决现有技术中存在的换热翅片的冷凝传热效率较低的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种换热翅片结构，包括主翅以及形成于主翅侧面的多重阶梯状副翅结构，多重所述阶梯状副翅结构能够在刺破冷凝液膜的同时增加冷凝液膜的表面张力，加速冷凝液向换热翅片的翅根方向流动。

可选地，所述主翅的侧面向远离所述主翅的方向延伸凸起形成沿所述主翅的高度方向分布的至少两层副翅，以构成多重所述阶梯状副翅结构。

可选地，沿所述主翅的高度方向上，位于下层的所述副翅的悬长大于位于其上层的所述副翅的悬长。

可选地，所有所述副翅均向换热翅片的翅根方向弯曲。

可选地，每层所述副翅均包括至少两个翅片。

可选地，每相邻两个副翅之间形成有凹槽。

可选地，所述凹槽的截面形状为倒置梯形、倒置三角形或矩形。

可选地，所述主翅包括翅顶和翅根，且所述翅顶具有间断的锯齿状尖端。

可选地，所述副翅形成于所述主翅的单侧或所述主翅相背离的双侧。

本发明提供的一种换热管，包括管基体和形成于所述管基体外侧的以上任一所述的换热翅片结构。

可选地，所述换热翅片结构螺旋状设置于所述管基体的外侧。

可选地，所述管基体的内侧设置有内肋。

可选地，所述换热管为冷凝管。

本发明提供的一种换热器，包括以上任一所述的换热管。

本发明提供的一种换热翅片结构及具有其的换热管和换热器，该换热翅片结构包括主翅以及形成于主翅侧面的多重阶梯状副翅结构，多重阶梯状副翅结构，对冷凝液膜的厚度进行多重减薄，多重的阶梯状设置实现了曲率半径的多重调整和改变，增加了冷凝液膜的表面张力，促进冷凝液膜的迅速排走，设置该换热翅片结构提高了换热管和换热器的冷凝传热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式提供的第一种冷凝换热管的立体结构示意图，该图为沿换热管轴向切开后的展开图；

图2是图1的周向视图；

图3是图1的轴向视图；

图4是图1中换热管的俯视结构示意图；

图5是本发明具体实施方式提供的第二种冷凝换热管的立体结构示意图，该图为沿换热管轴向切开后的展开图；

图6是图5的周向视图；

图7是图5的轴向视图；

图8是图5中换热管的俯视结构示意图；

图9是主翅螺旋状分布于管基体的示意图。

图中1、管基体；2、内肋；3、主翅；4、通道；5、第一层副翅；6、第二层副翅；7、第三层副翅；8、阶梯状；9、翅顶；10、凹槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1-图9所示，本发明提供了一种换热翅片结构，包括主翅3以及形成于主翅3侧面的多重阶梯状副翅结构，多重阶梯状副翅结构能够在刺破冷凝液膜的同时增加冷凝液膜的表面张力，加速冷凝液向换热翅片的翅根方向流动。

多重阶梯状副翅结构，依靠重力对冷凝液膜的厚度进行多重减薄，在副翅结构刺破液膜的同时多重阶梯状的设置实现了曲率半径的多重调整和改变，增加了冷凝液膜的表面张力，而且多重阶梯状的每一重都会在压差的作用下给液膜提供一向翅根方向的拉力，多重拉力叠加后促使冷凝液膜迅速排走，防止主翅3之间的冷凝液的滞留和搭桥，使冷媒与换热管充分接触和换热，进而使得设置该换热翅片结构后换热管和换热器的冷凝传热效率提高了。

作为可选地实施方式，主翅3的侧面向远离主翅3的方向延伸凸起形成沿主翅3的高度方向分布的至少两层副翅，以构成多重阶梯状副翅结构。

在主翅3的侧面向远离主翅3的方向延伸凸起形成的沿主翅3的高度方向分布的至少两层副翅，副翅能够刺破液膜，增加冷媒与换热管管壁的接触，而且至少两层阶梯状8的布置还能依靠高度差，在重力作用下实现液膜的多重分液和多重减薄，另外副翅曲率半径的差异增大了主翅3顶部和翅根的压差，且每一层副翅都会产生向下的拉力，其叠加作用进一步促进冷凝液膜迅速向翅根流动。此外，上述换热翅片结构，也增大了换热表面积，提高换热性能。

本发明两种实施方式中多重阶梯状副翅结构包括第一层副翅5、第二层副翅6和第三层副翅7。

作为可选地实施方式，如图2和图6所示，沿主翅3的高度方向上，位于下层的副翅的悬长大于位于其上层的副翅的悬长。上述结构，会引起换热翅片各处曲率半径Rc发生变化，使冷凝液膜向翅根流动的驱动力(冷凝液压差)增大。冷凝液从翅顶9向翅根流动时经过副翅会发生转折拉伸、减薄，加快流动。从而能进一步促进冷凝液流动。

作为可选地实施方式，所有副翅均向换热翅片的翅根方向弯曲。这种弯曲状结构，使副翅截面的曲率半径也存在差异，促使液膜向翅根流动；而向下的弯曲方向可以避免“兜”住液体，使构成液膜的流体迅速排走，换热翅片尽可能裸露而提高换热性能。

作为可选地实施方式，每层副翅均包括至少两个翅片。设置至少两个翅片，提高换热面积，也能进一步拉伸和减薄液膜。

作为可选地实施方式，每相邻两个副翅之间形成有凹槽10，凹槽10为下沉槽。

一方面，凹槽10的设置能够进一步增加换热面积；另一方面，由于卧式换热管的管外冷媒流动方向沿换热管的垂直截面，对于位于来流方向上的任一主翅3而言，近似沿主翅3的高度方向流动，凹槽10能够扰动流经其的冷媒，提高换热效率。

作为可选地实施方式，凹槽10的截面形状为倒置梯形、倒置三角形或矩形。采用上述截面形状，便于作用于冷媒，对其进行阻挡形成波动，进而提高换热效果。

作为可选地实施方式，主翅3包括翅顶9和翅根，且翅顶9具有间断的锯齿状尖端。锯齿状尖端能够对液膜进行第一重刺破和减薄，而间断地设置，能够使翅顶9形成接近“独立”的多个尖端，有效强化对液膜的减薄。

作为可选地实施方式，副翅形成于主翅3的单侧或主翅3相背离的双侧。图1-图4以及图5-图8分别给出了副翅形成于主翅3两侧以及副翅形成于主翅3单侧的两种实施方式。

实施例1：

如图1-图4所示，本发明换热管包括具有管基体1和管基体1外侧与其一体成型的螺旋主翅3，一体的螺旋主翅3包括翅顶9、基体、根部和侧壁，相邻两主翅3的侧壁之间形成有通道4。主翅3顶部通过挤压形成尖锐锯齿状间断翅片，在主翅3顶间断锯齿状翅片的底部挤压形成向翅片两侧延伸的第一层“月牙形”副翅结构，该副翅向主翅3槽部弯曲，并向主翅3两侧面延伸，延伸量为h6。锯齿状翅片与主翅3轴向成一定角度α；主翅3成阶梯状8，在台阶处形成第二层副翅6结构，该副翅向主翅3槽部弯曲，并向主翅3两侧面延伸h5；主翅3两侧面形成倒置梯形凹槽10，凹槽10形状也可是矩形、倒置三角形等，在倒置梯形凹槽10底部形成第三层副翅7结构。第一层副翅5和第二次副翅向翅侧壁的延伸小于第三层副翅7向翅侧壁的延伸量h4；管内侧设置有内肋2。

螺旋主翅3沿换热管轴向每英寸设有19～60个，主翅3根部与管体相连为一体，主翅3高度h0＝0.1～2.0mm。

螺旋主翅3的翅顶9具有间断锯齿状滚花结构，与翅片轴向成夹角α，夹角α为0～90°，滚花深度h9＝0.05～1.0mm，主翅3的厚度h8＝0.05～0.6mm；

翅顶9滚花结构根部形成第一层副翅5，与换热管基体1成一定高度h3＝0.05～1.95mm，第一层副翅5向翅侧面凸起延伸h6＝0.01～1.0mm；

主翅3侧面形成阶梯状8结构，阶梯厚度h7＝0.01～0.55mm，在阶段处形成第二层副翅6，第二层副翅6向翅侧面凸起延伸h5＝0.01～1.0mm；

主翅3侧面形成导致梯形凹槽10结构，该倒置梯形成角度β＝0～160°，倒置梯形底部宽度h10＝0.01～0.6mm；

主翅3侧面凹槽10底部向翅侧面形成第三层副翅7，与换热管基体1成一定高度h1＝0.05～1.95mm，第三层副翅7向翅侧面凸起延伸h4＝0.01～1.0mm；

管体内的内肋2为螺纹状，该螺纹状的内肋2截面为类梯形，内肋2的齿顶角范围为10～110°。

螺纹内肋2与管体的轴线夹角范围为1～75°，内肋2的条数为10～120个，内肋2高度为0.1～0.7mm。

该实施方式中，副翅设置于主翅3的两侧，增加了换热面积，强化换热。

实施例2：

如图5-图8所示，换热管包括具有管基体1和管基体1外侧与管基体1一体成型的螺旋主翅3，一体的螺旋主翅3包括翅顶9、基体、根部和侧壁，两主翅3侧壁之间形成有通道4。主翅3顶部通过挤压形成尖锐锯齿状间断翅片，在主翅3顶间断锯齿状翅片底部挤压形成向翅片一侧形成的第一层副翅5，呈“月牙形”结构，该副翅向主翅3槽部弯曲，并向主翅3其中一侧面延伸h6。锯齿状翅片与主翅3片轴向成一定角度α；主翅3呈阶梯状8，在台阶处形成第二层副翅6，该副翅向主翅3槽部弯曲，并向主翅3其中一侧面延伸h5；主翅3其中一侧面(具有副翅的一侧)形成倒置梯形凹槽10，凹槽10截面也可是矩形或倒置三角形等，在倒置梯形凹槽10底部形成第三层副翅7。第一层副翅5和第二次副翅向翅侧壁的延伸量小于第三层副翅7向翅侧壁的延伸量h4；管内侧设置有内肋2。

螺旋主翅3沿轴向每英寸设有19～60个，主翅3根部与管体相连为一体，主翅3高度h0＝0.1～2.0mm。

螺旋主翅3翅顶9的间断锯齿状滚花结构，与翅片轴向成夹角α，夹角α为0～90°，滚花深度h9＝0.05～1.0mm，主翅3厚度h8＝0.05～0.6mm；

翅顶9滚花结构根部形成第一层副翅5，与换热管基体11成一定高度h3＝0.05～1.95mm，第一层凸起副翅向翅侧面凸起延伸量h6＝0.01～1.0mm；

主翅3侧面形成阶梯状8结构，阶梯厚度h7＝0.01～0.55mm，在阶段处形成第二层副翅6，第二层副翅6向翅侧面凸起延伸量h5＝0.01～1.0mm；

主翅3侧面形成倒置梯形凹槽10结构，该倒置梯形成角度β＝0～160°，倒置梯形底部宽度h10＝0.01～0.6mm；

主翅3侧面凹槽10底部向翅侧面形成第三层副翅7，与换热管基体1成一定高度h1＝0.05～1.95mm，第三层副翅7向翅侧面凸起延伸量h4＝0.01～1.0mm；

管体内的内肋2为螺纹状，该螺纹状的内肋2的截面为类梯形，内肋2的齿顶角范围为10～110°。

螺纹内肋2与管体的轴线夹角范围为1～75°，内肋2条数为10～120个，内肋2高度为0.1～0.7mm。

该实施方式中，副翅位于主翅3的单侧，可以减小翅间距凝结过程不容易出现凝结液滞留现象，可以强化换热。

本发明还提供了一种换热管，包括管基体1和形成于管基体1外侧的以上任一的换热翅片结构。

作为可选地实施方式，如图9所示，换热翅片结构螺旋状设置于管基体1的外侧(图中虚线示出了主翅的螺旋设置状态)。采用挤压成型，主翅3螺旋状分布，便于是跟着刀具挤压进行螺旋前进而成型。

作为可选地实施方式，管基体1的内侧设置有内肋2，内肋2能够增大换热管的传热面积，而且还能增加换热管内流体的紊流，增加换热管内的换热效率。

作为可选地实施方式，换热管为冷凝管。

本发明还提供了一种换热器，包括以上任一的换热管。

本发明换热管管外侧为螺旋阶梯状翅片结构，主翅3的顶部滚压形成切口，在翅顶9部形成独立锯齿状尖锐顶端结构并在主翅3两侧面形成向翅两侧面挤压形成的第一层副翅5，该副翅呈“月牙形”尖锐凸起向翅根部方向弯曲。在翅片一侧阶梯状台阶上形成第二层副翅6结构，第二层副翅6也呈“月牙形”尖锐状凸起向翅根部方向弯曲。这种结构造成翅顶9与翅根曲率半径差异，增大冷凝液翅片顶部和根部间的压差，促使液膜拉薄促进冷凝液向翅根部流动。主翅3侧壁向外延伸的副翅，不仅增大了管外传热面积，而且可将冷凝液膜发生波动、曲率半径发生变化，充分利用表面张力的作用，加快冷凝液膜向下流动；而且，副翅尖端可刺穿冷凝液膜，增强换热翅片与制冷剂蒸汽的接触，进一步促进传热，提高换热器的换热效果。

在翅片侧壁形成的倒置梯形凹槽10，第一能够增加换热面积，第二能起到引流的作用，同时可利用凹槽10的毛细虹吸原理将翅片顶部的冷凝液迅速引向翅片根部下方，并沿流道快速排走，进一步减薄冷凝液的厚度，减少翅片间冷凝液搭桥，使更多翅片面积参与换热，从而提高冷凝换热系数。

在主翅3侧壁上形成的倒置梯形凹槽10底部设置第三层副翅7结构，其一增大了传热面积，同时冷凝液从翅顶9向翅根流动时经过副翅会发生转折拉伸、减薄，加快流动。可增强冷凝液的波动，进一步加强冷凝液流经其时的转折，从机理上看，翅顶9和副翅尖部曲率半径最小，而副翅和主翅3根部曲率半径较大。从翅顶9到副翅，及从副翅到翅根将产生两段冷凝液压差，利用表面张力作用促进冷凝液加快流动，从而提高冷凝传热系数。

通过本发明多重阶梯状8的副翅设置，可加快冷凝液在翅侧壁面上减薄并沿流道快速排走，保证翅顶9尖锐处液膜最薄、避免凝结液体的局部堆积，增强换热；进而可减小冷凝液膜对冷凝换热的不利影响，进一步的提升冷凝管的换热效率。

传热管的管内还设有螺纹状的内肋2结构，增大传热管的传热面积，并且能够增强传热管内流体紊流，使管内换热效率增加。

在发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，″多个″的含义是两个或两个以上；术语″上″、″下″、″左″、″右″、″内″、″外″、″前端″、″后端″、″头部″、″尾部″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语″第一″、″第二″、″第三″等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语″安装″、″相连″、″连接″应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种换热翅片结构，其特征在于，包括主翅以及形成于主翅侧面的多重阶梯状副翅结构，多重所述阶梯状副翅结构能够在刺破冷凝液膜的同时增加冷凝液膜的表面张力，加速冷凝液向换热翅片的翅根方向流动。

2.根据权利要求1所述的一种换热翅片结构，其特征在于，所述主翅的侧面向远离所述主翅的方向延伸凸起形成沿所述主翅的高度方向分布的至少两层副翅，以构成多重所述阶梯状副翅结构。

3.根据权利要求2所述的一种换热翅片结构，其特征在于，沿所述主翅的高度方向上，位于下层的所述副翅的悬长大于位于其上层的所述副翅的悬长。

4.根据权利要求2所述的一种换热翅片结构，其特征在于，所有所述副翅均向换热翅片的翅根方向弯曲。

5.根据权利要求2-4任一所述的一种换热翅片结构，其特征在于，每层所述副翅均包括至少两个翅片。

6.根据权利要求5所述的一种换热翅片结构，其特征在于，每相邻两个副翅之间形成有凹槽。

7.根据权利要求6所述的一种换热翅片结构，其特征在于，所述凹槽的截面形状为倒置梯形、倒置三角形或矩形。

8.根据权利要求1所述的一种换热翅片结构，其特征在于，所述主翅包括翅顶和翅根，且所述翅顶具有间断的锯齿状尖端。

9.根据权利要求2所述的一种换热翅片结构，其特征在于，所述副翅形成于所述主翅的单侧或所述主翅相背离的双侧。

10.一种换热管，其特征在于，包括管基体和形成于所述管基体外侧的如权利要求1-9任一所述的换热翅片结构。

11.根据权利要求10所述的换热管，其特征在于，所述换热翅片结构螺旋状设置于所述管基体的外侧。

12.根据权利要求10所述的换热管，其特征在于，所述管基体的内侧设置有内肋。

13.根据权利要求10所述的换热管，其特征在于，所述换热管为冷凝管。

14.一种换热器，其特征在于，包括权利要求10-13任一所述的换热管。

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