CN115950291A - 换热管、换热器及换热管的制法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种换热管、换热器及换热管的制法，换热管包括管体，还包括插设于所述管体内的扭曲带，所述扭曲带沿所述管体的轴线方向扭曲延伸，并形成多个节距段；所述扭曲带具有相背的第一表面和第二表面，每个所述节距段的所述第一表面上均设有间隔排列的多个第一凸包和多个第一凹坑。本申请可进一步减小换热管的传热热阻，提升其换热系数。

Description

换热管、换热器及换热管的制法

技术领域

本申请涉及换热设备技术领域，尤其涉及一种换热管、换热器及换热管的制法。

背景技术

根据流体力学理论，根据不同的流体的雷诺数Re，流动分为性质完全不同的两种状态：层流与湍流。当流体的粘性较大或者流体速度较低时，Re数较低，流动状态为层流。反之，Re数较大，流动为湍流。通过计算与实验，发现在圆管层流状态下，对外换热过程中，截面上温度沿径向呈抛物线分布，最高温度出现在管道轴线上，热阻分布在整个管道截面内。当管内流体在湍流状态下，对外换热过程中，截面上的温度分布是沿径向呈幂函数型分布，即核心区温度沿径向近似垂直于流动方向，其热阻很小；而在近壁面处温度陡降，热阻主要集中在壁面附近。

根据上述分析，针对层流或湍流，需要采取不同方法进行强化换热。例如湍流时，需要在壁面处设置粗糙单元或沟槽，破坏边界层，提高换热效率；层流时，则需要对整个管道内的流体进行混合，降低径向温度差，减小热阻，达到提高换热效率的目的。

中国专利CN2137327Y公开的技术，在换热管内设置螺旋线圈，该螺旋线圈紧靠换热管内壁，即螺旋线圈外径等于换热管内径。通过螺旋线圈作用，增加管内旋转的切向分量和管内流团分子的脉动，破坏管壁处层流边界层，减小传热热阻，提高换热系数。在高雷诺数条件下，可以强化换热1倍以上；但是低雷诺数下，效果并不显著。

中国专利CN2466592Y中提出，利用波纹管、螺旋槽管或T型槽管作为换热器用传热管，通过非光滑壁面的扰动作用，破坏边界层，提高换热系数，与光管相比，强化效果达到1.8—2.0倍。除了在壁面处设置粗糙元以便达到破坏边界，提高换热系数外，也有技术是通过在换热管内的插入件对管内核心区流场和边界层流场进行改变，达到提高换热系数的作用。

中国专利CN 202734652 U公开的一种插入传热管内强化流体传热的扭栅构件，包括扭栅和螺旋线圈，扭栅均穿过传热管中心轴线，每根扭栅两端均焊接于螺旋线圈上，多根扭栅呈螺旋排列。其有益效果是，螺旋排列的扭栅使得传热管内流体发生连续旋转且被不断分割扰动，促进中心处和边界层流体充分混合，对内壁产生冲刷作用，达到强化换热效率目的。

中国专利CN101846469A公开的技术，在换热管中设置扭曲片，沿换热管轴向所述扭曲片可以设置多个；由于扭曲片改变了流动形态，加剧了湍流剧烈程度，减薄了边界层厚度，提高了传热效率，但是，在该设施作用下，流动阻力较大，影响了该技术的推广。

综上所述，针对不同的流动状态通过采用不同的强化措施达到提高换热系数的目的。湍流时，热阻集中在管壁附近，在管壁表面设置粗糙元，例如，加工有连续的肋或凹槽道，当流体经过这些粗糙元时增加了近壁面区流体的湍流度，从而降低了流体与壁面间的热阻。层流时，热阻分布在整个截面，需要对整个截面流场进行改变，此时采用扭曲带比较理想，通过流体的旋转运动增加二次流的掺混作用以及分割流动边界层，减低流动截面的热阻以及管壁附近的边界层热阻，达到强化换热的作用。不过，上述专利文献所提及的各种措施仍存在改进空间。

发明内容

本申请提出一种换热管、换热器及换热管的制法，以进一步减小换热管的传热热阻，提升其换热系数。

第一方面，本申请提出一种换热管，包括管体，还包括插设于所述管体内的扭曲带，所述扭曲带沿所述管体的轴线方向扭曲延伸，并形成多个节距段；

所述扭曲带具有相背的第一表面和第二表面，每个所述节距段的所述第一表面上均设有间隔排列的多个第一凸包和多个第一凹坑。

在一种可能的实施方式中，每个所述节距段的所述第二表面上均设有间隔排列的多个第二凸包和多个第二凹坑。

在一种可能的实施方式中，所述扭曲带为金属材质，所述多个第一凸包的位置与所述多个第二凹坑的位置一一对应，所述多个第一凹坑的位置与所述多个第二凸包的位置一一对应；

所述第一表面的所述第一凸包，是通过在所述第二表面冲压出所述第二凹坑而形成的；

所述第二表面的所述第二凸包，是通过在所述第一表面冲压出所述第一凹坑而形成的。

在一种可能的实施方式中，所述扭曲带上的所有所述第一凸包排列成沿所述轴线方向依次隔开的多个第一凸包组，每个所述第一凸包组包括至少两个第一凸包，所述至少两个第一凸包位于所述管体的同一个横截面处；

所述扭曲带上的所有所述第一凹坑排列成沿所述轴线方向依次间隔的多个第一凹坑组，每个所述第一凹坑组包括至少两个第一凹坑，所述至少两个第一凹坑位于所述管体的同一个横截面处；

其中，所述第一凸包组与所述第一凹坑组沿所述轴线方向交替排列。

在一种可能的实施方式中，所述扭曲带具有相背的第一侧边和第二侧边，其中，所述第一侧边和所述第二侧边均与所述管体的内表面抵靠设置；

所述扭曲带将所述管体的内部空间分隔成相互隔开的第一通道和第二通道，所述第一通道的内表面包括所述第一表面，所述第二通道的内表面包括所述第二表面。

在一种可能的实施方式中，所述管体为圆形管体，所述扭曲带的宽度与所述管体的内径相等，所述管体的内壁为光滑内壁；

在所述管体的任一横截面位置，所述第一侧边和所述第二侧边均分别位于所述管体的直径两端。

第二方面，本申请提出一种换热器，包括如第一方面所述的换热管。

第三方面，本申请提出一种如第一方面所述换热管的制作方法，包括：

提供所述管体；

提供所述扭曲带；

将所述扭曲带插设于所述管体内。

在一种可能的实施方式中，所述提供所述扭曲带，包括：

提供长条形的金属带，其中，所述金属带具有相背的第三表面和第四表面；

冲压所述第三表面，从而在所述第三表面形成多个第三凹坑，在所述第四表面形成多个第三凸包；冲压所述第四表面，从而在所述第四表面形成多个第四凹坑，在所述第三表面形成多个第四凸包；

绕所述金属带的长度轴线对所述金属带进行扭曲处理，得到所述扭曲带。

在一种可能的实施方式中，所述提供长条形的金属带，包括：

提供废弃金属管；

将所述废弃金属管沿径向压扁，以使所述废弃金属管的内壁贴合，得到所述金属带。

根据本申请提供的换热管，在管体内插设有扭曲带，扭曲带的每个节距段的两侧表面均设置有凸包和凹坑。在工作时，凸包和凹坑均起到涡发生器的作用，从而在二者位置产生漩涡。并且，由于凸包产生的卡门涡街使得流体进入凹坑的速度矢量方向发生偏转以及旋转作用使得进入凹坑的流体速度加速，从而诱导的涡旋的旋转速度更大，涡旋对下游的作用距离更远，掺混流体更加充分。同样道理，凹坑产生的涡旋掠过凸包时，产生的涡旋的频率更快，强度更大，有利于对流体的扰动作用。此外，扭曲带将管内通道分隔成两条围绕管轴线的相互纠缠的螺旋通道，流体沿螺旋通道流动时会发生径向流动的二次流，这能够明显地增加前述涡旋的影响范围，进一步减小通道截面的热阻。由此，换热管中的凸包、凹坑及螺旋流道相互配合，可以现住地减小通道截面的热阻，提升换热管的换热效率。

根据本申请提供的换热管的制作方法，只需对金属带的一侧冲压出凹坑便可顺带在另一侧得到凸包，然后将加工出凸包和凹坑的金属带沿其长度方向扭曲后便可得到所需的扭曲带，只需选择适宜的金属带宽度，便可在将后序制的扭曲带插入圆形管体中时，使扭曲带自动地定位在管的中间位置，该工艺简单，易于实施。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。

图1是本申请一实施例提供的换热管沿轴线方向观察时的结构示意图。

图2是图1所述换热管中扭曲带的结构示意图；

图3是图2的A-A向剖视示意图；

图4是图2的B-B向剖视示意图；

图5是图2的C-C向剖视示意图；

图6是图2所示扭曲带的另一幅结构示意图。

附图标记说明：

F1-轴线方向；

1-管体；

2-扭曲带；

201-第一凸包，202-第一凹坑，203-第二凸包，204-第二凹坑，200-节距段；

2a-第一表面，2b-第二表面，2c-第一侧边，2d-第二侧边；

3-第一通道；

4-第二通道。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。可以理解，在不冲突的情况下，本文所描述的各个实施例的一些技术手段可相互替换或结合。

在本申请说明书和权利要求书的描述中，若存在术语“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。由此，限定有“第一”、“第二”等的对象可以明示或者隐含地包括一个或者多个该对象。并且，“一个”或者“一”等类似词语，不表示数量限制，而是表示存在至少一个，“多个”表示不少于两个。

图1至图6示出了本申请一实施例提供的一种换热管，该换热管包括管体1以及插设在管体1内的扭曲带2，扭曲带2沿管体1的轴线方向F1扭曲延伸，并形成多个节距段200。扭曲带2具有在其厚度方向上相背的第一表面2a和第二表面2b，每个节距段200的第一表面2a上均设有间隔排列的多个第一凸包201和多个第一凹坑202。

需说明的是，在管体1的轴线方向F1上，一个节距段200对应扭曲带2上扭曲180°的一个连续的长度段(每相隔一定长度，扭曲180°)，扭曲带2具有多个节距段200，意味着扭曲带2至少被扭曲了360°。

本实施例在管体1内设置了具有多个节距段200的扭曲带2，从而在管内得到围绕管轴线的两条螺旋通道(即下述的第一通道3和第二通道4)，工作时，流体沿这两条螺旋通道流动时会发生径向流动的二次流，增加了涡旋的影响范围，有利于减小通道截面的热阻。此外，每个节距段200的第一表面2a上的凹坑与凸包组合结构对涡旋的产生以及下游的流动都会产生较大影响。具体而言：

凸包的功能是涡发生器。当流体掠过球冠状凸起时，发生边界层分离，在凸包后面产生一对的旋转方向相反的对称漩涡。当雷诺数Re＞90后，漩涡稳定的不断交替生成与脱离，并在尾涡区形成交替排列、旋转方向相反的两行漩涡，流体力学上称为卡门涡街。漩涡的不断脱落，不断把附近的流体卷起，增加了流体掺混程度，使得核心区的温度场均匀，减小了热阻。同时，这种交替的涡流使得球状凸起两侧流体的瞬间速度不同，这会造成凸起两侧流体的瞬间压力也不同，因此使得流体发生振动，可以影响边界层粘性底层的流动，提高换热效率。

凹坑的作用同样也是涡发生器，通过诱导产生涡结构注入流动截面的核心区动量，通过流体微团的碰撞，减小了径向速度梯度与温度梯度，减小了截面热阻。流体从上游流经凹坑过程中，由于壁面的突然凹陷，壁面附近的流体被卷入凹坑内，进入凹坑后，一部分流体在凹坑背风面形成回流区；另外一部分流体继续向前流动，重新附着在凹坑的迎风面后，继续沿固体表面运动。进入凹坑的流体由于卷曲作用，诱导形成一对涡旋，随后涡旋从凹坑的两侧离开凹坑向下游运动并与主流进行掺混。

而且，由于凸包产生的卡门涡街使得流体进入凹坑的速度矢量方向发生偏转以及旋转作用使得进入凹坑的流体速度加速，从而诱导的涡旋的旋转速度更大，涡旋对下游的作用距离更远，掺混流体更加充分。同样道理，凹坑产生的涡旋掠过凸包时，产生的涡旋的频率更快，强度更大，有利于对流体的扰动作用。

更为关键的是，一般凸包两侧产生的涡旋与凹坑涌出的涡旋都是沿管轴方向流动的纵向涡，但是当插入连续扭曲的扭曲带2后，换热管内的通道成为围绕管轴线的两条螺旋通道，流体沿螺旋通道流动过程中发生径向流动的二次流，这能够明显地增加前述涡旋的影响范围，进一步减小通道截面的热阻。此外，在该换热管内第一表面2a对应的螺旋通道的各个截面处，一侧为带有凸包和凹坑的扭曲带，另一侧为光滑的半圆形的管壁，二者存在结构上的非对称性，这种结构上的非对称性可以进一步强化前述的径向二次流。此外，第一表面2a上的凸包和凹坑还能够促使下述第一通道中的换热液体向管体1的内表面甩动，这有助于增强管体1换热管壁的得液面积。例如，当该换热管被水平放置应用时，在凸包、凹坑以及扭曲的第一表面2a的影响下，那些处于管顶部的管体内表面也能够得到一定量的管内流体，从而有利于提升管内流体与管外流体的换热效率。

因此，上述设计可以减小第一表面2a对应的那条螺旋通道的热阻，并由此提升该条螺旋通道的换热效率。

同理，请再参见图2，为了提升第二表面2b对应的另一条螺旋通道的换热效率，本实施例在每个节距段200的第二表面2b上设置了间隔排列的多个第二凸包203和多个第二凹坑204。

请继续参见图2并结合图3至图5，在本实施例中，上述多个第一凸包201的位置与多个第二凹坑204的位置一一对应，上述多个第一凹坑202的位置与多个第二凸包203的位置一一对应。由此，每个第一凸包201的另一侧刚好存在一个第二凹坑204，每个第一凹坑202的另一侧刚好存在一个第二凸包203。因此，倘若在实际应用中，管内两条螺旋通道中的流体存在温度差(管内流体温度分布不均，会影响管内流体与管外流体间的总换热效率)，那么位于这两条螺旋通道之间的一一对应的凸包和凹坑结构使得两流道中的流体能够快速地进行热交换，从而减小前述温度差，以提升管内流体与管外流体的总的换热效率。

在本实施例中，扭曲带2为金属材质，进一步地，该扭曲带2是通过沿径向压扁的废弃金属管制成的。第一表面2a的第一凸包201，是通过在第二表面2b冲压出第二凹坑204而形成的。第二表面2b的第二凸包203，是通过在第一表面2a冲压出第一凹坑202而形成的。

结合上文的描述，为了让凸包和凹坑更好地相互配合，增强对管内流体的扰动作用，在本实施例中，第一凸包201和第一凹坑202沿轴线方向F1交替排列，第二凸包203和第二凹坑204也沿轴线方向F1交替排列。

具体而言，扭曲带2上的所有第一凸包201排列成沿轴线方向F1依次隔开的多个第一凸包组，每个第一凸包组包括至少两个第一凸包201(图2中为两个)，该至少两个第一凸包201位于管体1的同一个横截面处。扭曲带2上的所有第一凹坑202排列成沿轴线方向F1依次间隔的多个第一凹坑组，每个第一凹坑202组包括至少两个第一凹坑202(图2中为两个)，该至少两个第一凹坑202位于管体1的同一个横截面处。第一凸包组与第一凹坑组沿轴线方向F1交替排列。

在本实施例中，扭曲带2的宽度与管体1的内径相当。具体而言，扭曲带2具有在其宽度方向上相背的第一侧边2c和第二侧边2d，第一侧边2c连接第一表面2a和第二表面2b的一侧，第二侧边2d连接第一表面2a和第二表面2b的另一侧，其中，第一侧边2c和第二侧边2d均与管体1的内表面抵靠设置，基于此，扭曲带2将管体1的内部空间分隔成相互隔开的第一通道3和第二通道4。第一通道3的内表面包括第一表面2a(即，第一表面2a为第一通道3的内表面的一部分)，第二通道4的内表面包括第二表面2b。因第一表面2a和第二表面2b为螺旋状的表面，故而可将第一通道3和第二通道4均称为螺旋通道。因此，可以避免流体在管体1内的两条螺旋通道之间窜流、而导致径向二次流减弱，从而保证每条螺旋通道在结构和功能上的独立性，使得每条螺旋通道中流体均能很好地呈现出上文提及的流动形态。

请参见图1并结合图2以及图3至图5，在管体1的任一横截面位置，第一侧边2c和第二侧边2d均分别位于管体1的直径两端。由此，可以使得上述两条螺旋通道的各处通流面积相等且均匀。

在一些实施例中，为了稳固扭曲带2在管体1内的位置，可以将扭曲带2的端部与管体1焊接固定。

管体1和扭曲带2的尺寸参数可根据需要而灵活选择，例如，在一个实施例汇总，管体1的内径及扭曲带2的宽度均为19mm，扭曲带2的厚度为1.0mm，扭曲带2的节距(也即单个节距段200的长度)为38mm，即扭率Y＝2，第一凹坑202和第二凹坑204的直径均为1.9mm，深度为3.8mm，第一凸包201和第二凸包203的高度均为4.8mm，在径向方向上相邻两个凸包或相邻两个凹坑的径向间距6mm，在轴向方向上相邻的凸包和凹坑的间距为8mm。

此外，本实施例还提出了一种制作上述换热管的方法，该方法包括以下步骤：

S101，提供管体1；

S102，提供扭曲带2；

S103，将扭曲带2插设于管体1内。

在一些实施方式中，上述步骤S102具体可以包括以下子步骤：

S102a，提供长条形的金属带，其中，金属带具有相背的第三表面和第四表面。

在一些实施方式中，长条形的金属带可以通过对薄金属板进行切割而得到。在另一些实施方式中，可以使用辊压设备将废弃金属管沿径向完全压扁，以使废弃金属管的内壁贴合，从而得到长条形的双层结构(两层紧贴)的金属带。废弃金属管可以是废弃的换热管，也可以是普通的铁质排烟管等。金属带具有相背的两个表面，即上述第三表面和第四表面，其中，第三表面对应最终制成的换热管中扭曲带2的第一表面2a，第四表面对应最终制成的换热管中扭曲带2的第二表面2b。

S102b，冲压第三表面，从而在第三表面形成多个第三凹坑，在第四表面形成多个第三凸包；冲压第四表面，从而在第四表面形成多个第四凹坑，在第四表面形成多个第四凸包，第四凹坑对应第二凹坑204，第四凸包对应第一凸包201；

可以使用冲压设备在上述金属带的第三表面冲压出多个第三凹坑，在第四表面冲压出多个第四凹坑，并且，由此顺带在金属带的第四表面形成多个第三凸包，顺带在金属带的第三表面形成多个第四凸包。其中，第三凸包对应最终制成的换热管中扭曲带2的第二凸包203，第三凹坑对应最终制成的换热管中扭曲带2的第一凹坑202，第四凸包对应最终制成的换热管中扭曲带2的第一凸包201，第四凹坑对应最终制成的换热管中扭曲带2的第二凹坑204。

S102c，围绕金属带的长度轴线对金属带进行扭曲处理，得到扭曲带2。

本实施例通过在金属带的一侧冲压出凹坑而顺带在另一侧得到凸包，然后将加工出凸包和凹坑的金属带沿其长度方向扭曲后便可得到所需的扭曲带2，所获得的凹坑和凸包在最终制得的换热管中均发挥积极的效能，工艺简单，易于实施。

Claims (10)

1.一种换热管，包括管体，其特征在于，还包括插设于所述管体内的扭曲带，所述扭曲带沿所述管体的轴线方向扭曲延伸，并形成多个节距段；

所述扭曲带具有相背的第一表面和第二表面，每个所述节距段的所述第一表面上均设有间隔排列的多个第一凸包和多个第一凹坑。

2.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，每个所述节距段的所述第二表面上均设有间隔排列的多个第二凸包和多个第二凹坑。

3.根据权利要求2所述的换热管，其特征在于，所述扭曲带为金属材质，所述多个第一凸包的位置与所述多个第二凹坑的位置一一对应，所述多个第一凹坑的位置与所述多个第二凸包的位置一一对应；

所述第一表面的所述第一凸包，是通过在所述第二表面冲压出所述第二凹坑而形成的；

所述第二表面的所述第二凸包，是通过在所述第一表面冲压出所述第一凹坑而形成的。

4.根据权利要求3所述的换热管，其特征在于，

所述扭曲带上的所有所述第一凸包排列成沿所述轴线方向依次隔开的多个第一凸包组，每个所述第一凸包组包括至少两个第一凸包，所述至少两个第一凸包位于所述管体的同一个横截面处；

所述扭曲带上的所有所述第一凹坑排列成沿所述轴线方向依次间隔的多个第一凹坑组，每个所述第一凹坑组包括至少两个第一凹坑，所述至少两个第一凹坑位于所述管体的同一个横截面处；

其中，所述第一凸包组与所述第一凹坑组沿所述轴线方向交替排列。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的换热管，其特征在于，所述扭曲带具有相背的第一侧边和第二侧边，其中，所述第一侧边和所述第二侧边均与所述管体的内表面抵靠设置；

所述扭曲带将所述管体的内部空间分隔成相互隔开的第一通道和第二通道，所述第一通道的内表面包括所述第一表面，所述第二通道的内表面包括所述第二表面。

6.根据权利要求5所述的换热管，其特征在于，所述管体为圆形管体，所述扭曲带的宽度与所述管体的内径相等，所述管体的内壁为光滑内壁；

在所述管体的任一横截面位置，所述第一侧边和所述第二侧边均分别位于所述管体的直径两端。

7.一种换热器，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的换热管。

8.一种如权利要求1至6中任一项所述换热管的制作方法，其特征在于，包括：

提供所述管体；

提供所述扭曲带；

将所述扭曲带插设于所述管体内。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述提供所述扭曲带，包括：

提供长条形的金属带，其中，所述金属带具有相背的第三表面和第四表面；

冲压所述第三表面，从而在所述第三表面形成多个第三凹坑，在所述第四表面形成多个第三凸包；冲压所述第四表面，从而在所述第四表面形成多个第四凹坑，在所述第三表面形成多个第四凸包；

绕所述金属带的长度轴线对所述金属带进行扭曲处理，得到所述扭曲带。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述提供长条形的金属带，包括：

提供废弃金属管；

将所述废弃金属管沿径向压扁，以使所述废弃金属管的内壁贴合，得到所述金属带。

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