CN1428211A - 两面有构造的换热器管及其制造方法 - Google Patents

两面有构造的换热器管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有优良传热性能的两面都有构造的换热器管(1)，它既具有外肋(3)也有内肋(20)，还有与内肋(20)交叉的次级槽(22)。在所应用的装置里设有二个间隔的轧制工具(11，12)，用其对外肋(3)进行成形，而该内部构造则由二个不同轮廓的芯棒(15，16)来成形。第一芯棒(15)在第一成形部位对内肋(20)进行成形。第二芯棒(16)在第二成形部位在以前所形成的内肋(20)里成形出按本发明的次级槽(22)。

Description

两面有构造的换热器管及其制造方法
技术领域
本发明涉及到按权利要求1的前序部分所述的金属的，两面都有构造的换热器管，尤其是加肋管。
背景技术
在制冷和空调技术的许多范围内以及在过程控制技术和能源技术里都有导热问题。在这些领域里经常使用管束式换热器进行导热。在许多应用中在这些管中都流动一种流体，根据热量流动的方向使这种流体冷却或加热。热量就发散给位于外管面上的介质或者从中吸取热量。目前的技术状况是：在管束式换热器里使用两面都有构造的管来代替光面管。因而加强了在内管面和外管面上的导热。所传导的热流密度提高了，而且换热器结构可以更为紧凑。另一种可选的方案是保持热流密度并降低所产生的温度差，从而可以实现能源有效的导热。
用于管束换热器的具有构造的换热器管通常具有至少一个具有构造的部位以及光滑端件，有时还有光滑中间件。这些光滑的端件或中间件就限定了具有构造的部位。为使管能够没有问题地装入在管束式换热器里，具有结构部位的外径不得大于光滑端件或中间件的外径。
作为具有构造的换热器管往往使用一体轧制成的加肋管。所谓一体轧制成的加肋管就是带有筋的管，其中该肋由光滑管的管壁材料形成。加肋管在其外面上具有环形或者螺旋线形围绕的肋。在许多情况下在内管面上具有许多平行轴线的或者螺旋线状围绕布置的肋，它们改善了在内管面上的导热系数。这种内肋以恒定的横断面平行于管轴线或者成螺旋线形状与管轴线成某个角度布置。内肋越高，导热系数的改善就越大。这类管的制造例如在DE 23 03172里就叙述过了。这里重要的是：通过那里所公开的使用了一种有轮廓的芯棒以产生内肋可以相互独立地调定加肋管的内部构造和外部构造的尺寸。因而这二种构造就能够适应于各自的要求并因此来最佳地设计管。
近来已经开发出了许多根据应用场合的不同在一体轧制的加肋管的外表面上进一步增强导热的可能性，其中外管面的肋设置有其它的构造特征。例如在制冷介质冷凝时，如果肋侧面设有附加的凸棱(US5.775.411)，那么在外管面上的导热系数就明显提高。在制冷剂汽化时在外管面上部分地封闭住位于肋之间的通道，从而形成了通过孔隙或者缝隙与周围环境相连接的空腔，这已经证实能提高效率。尤其是这样的基本上封闭住的通道都是通过肋的弯曲或逆转(US3.696.861，US 5.054.548)，通过肋的切槽和轧边(DE 2.758.526，US 4.577.381)，以及通过肋的开槽和轧边(US 4.660.630，EP0.713.072，US 4.216.826)来产生。
所列举的在外管面上的导热能力改善导致整个导热阻力的主要部分转移到内管面上。这种效果尤其出现在内管面上的流动速度较小时，例如部分负荷工作时。为了显著地降低总的导热阻力，必需要进一步提高在内管面上的导热系数。这在原理上通过加大内肋的高度是可能的，但是由于管壁材料的变形太强烈，很难能够从技术上控制，而且还使带有构造的管的重量增加了。从成本角度来看这也是不希望的。
发明内容
本发明的任务就是制造具有提高传导能力的内部构造的两面都具有构造的换热器管，其中内部构造在管的总重量中的重量分配不得高于通常的螺旋线形状布置的具有不变横断面的内肋时的情况。加肋管的内部构造和外部构造的外形尺寸必须可以相互独立地调定。
对于所述种类的换热器管来说，其中各个相邻的内肋都由一个平行于内肋布置的初始槽分开，按本发明解决完成此项任务的方法是：
该内肋与成一倾斜角β布置的次级槽(相对于管轴线侧得)相交叉；
该次级槽相对于该内肋以至少10°的倾斜角γ布置；和
该次级槽的深度T为该内肋高度H的至少20％。
由于设置了次级槽，该内肋就不再具有恒定的横断面了。紧随此内肋，在该次级槽处内肋的横断面形状就发生了变化。由于该次级槽在管侧流动的介质在靠近管壁部位中产生了附加的涡流，从而就提高了导热系数。由此可明白地看出，通过增添了次级槽，内部构造在管的总重量中的重量分配并不增高。
该次级槽的深度是从内肋的尖端起沿径向方向测量的。次级槽的深度达内肋高度的至少20％。如果次级槽的深度等于内肋的高度，那么在内管面上就形成了相互间隔开的构造元件，它们类似于棱锥台。
权利要求2至13涉及了按本发明的换热器管的优选的实施形式。
按照权利要求14至19所述，本发明还涉及一种用于制造按本发明的换热器管的方法。
按照本发明为了制成一种在内部构造里具有所建议的次级槽的两面都具有构造的换热器管而设计了工具，用其在至少两上相互间隔开的轧辊盘组中对外肋进行成形加工。该内部构造则通过二个不同轮廓的芯棒来成形。该第一芯棒在第一成形部位里在第一轧辊盘组下支承住该管，并首先成形出螺旋线状布置的或者轴向平行布置的内肋，其中这些内肋首先具有一个恒定的横断面。该第二芯棒在第二成形部位处在较大直径的第二轧辊盘组下支承住该管，并于在这之前形成的螺旋状布置的或者轴向平行的肋里形成按本发明的次级槽。该次级槽的深度基本上通过选择二个芯棒的直径而确定。
附图说明
按照以下的实施例对本发明进行详细叙述。图示为：
图1是借助二个具有不同的螺旋角走向的芯棒制造一种按本发明的换热器管的简图；
图2是按本发明所述一种换热器管的局部视图，其中次级槽伸展达到内肋的总高度，以生成了棱锥台状的元件作为内部构造。视图为局部剖视图；
图3是一种内部构造的照片，其中次级槽仅伸展达到内肋的部分高度；
图4是沿图3所示X-X线通过图3所示的内部构造的一个剖面简图；
图5是表明了由于内部构造的次级槽而造成传导功率增益的图表。
具体实施方式
按图1和图2所示的一体的轧制加肋管1在外管面上具有螺旋线状布置的肋3。按本发明的加肋管借助于图1所示的装置通过一个轧制过程(参见US-Psen 1.865.575/3.327.512以及DE 23 03 172)来制造。
这里使用了一种装置，它包括有n＝3或4个工具架10，其中整体形成有各自至少二个相互间隔开的轧制工具11和12(在图1中由于是简图只表示出了一个工具架10)。工具架10的轴线同时也是这二个附属的轧制工具11和12的轴线，而且它与管轴线成倾斜表面。工具架10分别偏置360°/n布置在加肋管的圆周上。工具架10径向可以进给。它们布置在一个位置固定的(未示出)轧辊头里。该轧辊头固定在轧辊装置的底座机架里。轧制工具11和12各自包括有多个并排布置的轧辊盘13或14，其直径沿箭头方向增加。第二轧制工具12的轧辊盘14因而比第一轧制工具11的轧辊盘13的直径大。
同样这种装置还有二个成形的芯棒15和16，借助这些芯棒可制造出管的内部构造。芯棒15和16装在一个杆9的自由端上并相对可旋转地支承住。杆9在其一端处固定在轧辊装置的底座机架上。芯棒15和16必须定位在轧制工具12和11的工作范围内。杆9必须至少象要制造的加肋管1那样长。在加工之前当轧制工具11和12还没有进给时使光面管2几乎完全经过芯棒15和16推到杆9上。只是在加工完加肋管1时应该形成第一光滑端件的光面管2的那部分不推到芯棒15和16上。
为了加工该管使布置于圆周上，旋转的轧制工具11和12径向进给到光面管2上并与光面管2啮合作用。光面管2因而发生转动。由于轧制工具11和12的轴线倾斜于管轴线，因而轧制工具11和12就在光面管2的管壁里成形出螺旋线状围绕布置的肋3，同时使所形成的加肋管1对应于螺旋线状围绕的肋3的导程沿箭头方向推进。肋3最好象一个多头螺纹那样绕成。沿着管轴线所测得的二个相邻肋的中心的间距就称为肋间距P。在二个轧制工具11和12之间的间距必须要进行适配，从而使第二轧制工具12的轧辊盘14伸入槽4里，这些槽4位于由第一轧制工具11所成形出的肋3a之间。理想情况下该间距是肋间距P的整数倍。第二轧制工具12则继续对外肋3作进一步的成形。
在第一轧制工具11的成形区(＝第一成形部位)管壁由第一成形芯棒15支承住，并在第二轧制工具12的成形区(＝第二成形部位)使管壁由第二成形芯棒16支承住。二个芯棒15和16的轴线与管轴线是一致的。芯棒15和16具有不同的轮廓。而且第二芯棒16的外径至多象第一芯棒15的外径那样大。通常第二芯棒16的外径比第一芯棒15的外径至多小0.8mm。芯棒的轮廓通常包括有许多梯形的或者近似梯形的槽，这些槽在芯棒的外表面上相互平行地布置。位于二个相邻槽之间的芯棒料就称为连板19。连板19具有一种基本为梯形的横断面。这些槽通常以螺旋角0°至70°倾斜于芯棒的轴线布置。对于第一芯棒15来说该螺旋角用α表示，对于第二芯棒16则用β表示。螺旋角为0°所对应的情况是：这些槽平行于芯棒的轴线。若螺旋角不是0°，那么这些槽就呈螺旋线状布置。螺旋线状布置的槽可以是左旋或者是右旋取向的。在图1和图2中表示的情况是：第一芯棒15具有右旋的槽17，而第二芯棒16则具有左旋的槽18。在这种情况下就可以说是反方向的槽17和18或者不同走向的二个螺旋角α和β。在这种情况下螺旋角α和β可以有相同的数值。(对于以下情况同样是这样：第一芯棒15具有左旋的槽17，而第二芯棒16具有右旋槽18)。但是也可以是：这二个芯棒15和16具有同方向走向的槽17和18。然而在这种情况下，螺旋角α和β的大小必须不同。这二个芯棒15和16必须相对可旋转地支承住。
由于第一轧制工具11的径向力将管壁的材料挤压入第一芯棒15的槽17里。因而就在加肋管1的内表面上成形出了螺旋线性围绕布置的内肋20。在二个相邻的内肋20之间有初始槽21。对应于第一芯棒15的槽的形状这些内肋20具有一种基本为梯形的横断面，该横断面首先沿着内肋保持不变。内肋20相对于管轴线与槽17相对于第一芯棒15的轴线倾斜相同的角度α(倾斜角)。内肋20的倾斜角等于第一芯棒15的螺旋角α。内肋20的高度用H表示，通常达0.15-0.40mm。
由于第二轧制工具12的径向力将内肋20压在第二芯棒16上。由于第二芯棒16的槽18与芯棒轴线形成一个与第一芯棒15的槽17不同的角度，因而与管轴线也形成一个不同的角度，因而这些内肋20一部分就碰到第二芯棒16的一个槽18或者碰到一个连板19。在一个内肋20碰到一个槽18的部段里就将内肋20的材料压入到槽里。在这些一个内肋20碰到一个连板19的部段里就使肋材料产生变形，并使相互平行的次级槽22压入在内肋20里。对应于第二芯棒16的连板19的形状这些次级槽22具有一个梯形的横断面。这些由同一个连板19压入不同的内肋20里的次级槽22是相互排成直线布置的。次级槽22与管轴线所形成的倾斜角等于第二芯棒16的槽18与第二芯棒16的轴线所夹的螺旋角β。次级槽22与内肋20所夹的倾斜角γ当芯棒15和16具有同向走向的槽17和18时则由螺旋有α和β之差得到，当轴芯15和16具有反向走向的槽17和18时则由螺旋角α和β之和得到。角度γ至少为10°，通常它介于30°和100°之间，最好在60°和85°之间。角度γ小于90°比角度γ大于90°在加工技术上更容易控制，并通常比γ大于90°时引起一个较小的压力降。
次级槽22的深度T由内肋20的顶尖起沿径向方向测量。通过合适地选择这二个芯棒15和16的外径，以及通过合适地选择二个轧制工具11和12的各自最大的轧辊盘的外径就可以改变次级槽22的深度T：在第一芯棒15和第二芯棒16之间的外径之差越小，次级槽22的深度T就越大。但在这二个芯棒15或16里有一个芯棒的外径发生了变化都不仅引起次级槽22的深度T的改变，而且通常也引起外肋3的高度的改变。但这种作用是可以弥补的，其方法是修改轧制工具11和12的构造。为此尤其可以将第一轧制工具11的最大的轧辊盘13用作为第二轧制工具12的最小的轧辊盘14，或者将第二辊制工具12的最小的轧辊盘14用作为第一轧制工具11的最大的轧辊盘13。
为了对管内流动的液体流动产生明显的影响，次级槽22的深度T至少应达到内肋20高度H的20％。最好T达到内肋20高度的至少40％。如果次级槽22的深度T小于内肋20的高度H，那么在加工成形后的加肋管1上还可以见到内肋20的分布。这如图3所示。但是沿着内肋20的分布，内肋20的横断面形状则发生了变化：内肋20的高度在次级槽22的位置处降低其深度T。初级槽21不间断地分布在内肋20之间。相互排成直线的次级槽22由初级槽21间隔开。
图4表示了沿图3的X-X线通过图3所示内部构造的断面简图。此处明显可以看到在内肋20，初级槽21和次级槽22之间的高度关系。
若次级槽22的深度T等于内肋20的高度H，那么在加工成形后的加肋管1上就不再能见到内肋20的分布。在这种情况下通过次级槽22将内肋21分解成单个的相互间隔开的基元23。这表示于图2中。由于首先形成的内肋20和次级槽22的横断面为梯形，间隔开的基元23的形状为棱锥台。
内肋20和次级槽22的交叉点密度由二个芯棒15和16的轮廓来确定。该交点的密度最好达到90-250点/cm2。此处用作为参照面的是假如完全从管上去除掉内部构造而得到的管内表面。
由于次级槽22加肋管1的内部构造设有附加的棱边。若流体在管的内壁上流动，那么在这些棱边上产生了附加的流体的涡流，这种涡流改善了在管壁上的导热。通常来说管内流动液体的压力降与导热系数相比以相同的比例增高。然而通过合适地选择内部构造的尺寸，尤其是选择次级增槽22的倾斜角γ和深度T，压力降的这种升高就可以有利地受到影响。
按本发明的制造方法的说明指出：通过许多在这种方法中可以选择的工具参数就能够相互独立地在较大的范围内调定外部构造和内部构造的尺寸。尤其是上述轧制工具在二个相互间隔的轧制工具11和12里的分布就可以使次级槽22的深度T发生改变，而不同时改变外肋3的高度。
两面都有构造的用于制冷技术和空调技术的加肋管常常由铜或铜合金制成。由于对这些金属来说单纯的材料价格就在加肋管的总成本中占有不小的比例，故市场竞争要求在给定的管直径时使管的重量尽可能地小。对于目前商业可获得的加肋管来说，内部构造的重量在总重量中的比重根据内部构造的不同并因而根据换热能力的不同达到10％至于20％。由于在二面都有构造的加肋管的内肋20里有按照本发明的次级槽22，因而这种类型的管的换热能力可以明显提高，而并不提高内部构造重量的比重。对于由密度为7.5至9.5g/cm3的材料(例如铜、铜合金或者钢)制成的加肋管来说，这类内部构造在加肋管的外包面上的质量分配通常介于500g/m2和1000g/m2之间，最好介于600g/m2和900g/m2之间。对于由密度为2.5至3.0g/cm2的材料制成的加肋管来说(例如铝)，那么在加肋管的外包面积上这样一种内部构造的重量分配通常介于150g/m2和300g/m2之间，最好在180g/m2和270g/m2之间。如果选择初始槽21和次级槽22的宽度较大，那么就可以实现该内部构造的重量较小。
图5表示了一个表明按本发明的内部构造的换热能力优点的图表。所描绘的是当制冷介质R-134a在管外壁上冷凝时和在管内壁上有冷却水流动时导热系数和热流密度的关系曲线。冷凝温度达36.7℃，水的流速2.4m/s。这二种对照的加肋管在其外壁上具有相同的构造，但内部构造不同，如在图表中所示。目前的技术水平此处可用设有高度为0.35mm的标准内部构造的管作为代表。对于按本发明的具有类似于图2所示的棱锥台的内部构造的加肋管来说，棱锥台的高度约为0.30mm，内肋20和次级槽22的交叉点密度达143/cm2，角度γ为96°。具有带棱锥台的内部构造的加肋管的优点是其导热系数为13％至22％。这种优点是仅仅由内部构造所限定的，因为对于二种管来说在管外壁上的导热系数是相同的。
应用具有次级槽的内肋来改善在换热器管的内壁上的导热只是对具有内部构造的管来说的。对于无缝管来说这类内部构造借助于二个不同成形的芯棒来制造(例如JP-OS 1-317637)。这种技术至今还只是应用在外表光滑的管上。但是把这种技术转移到两面具有构造的整体形成一体轧制成的加肋管上则由于制造方法明显不同因而并不是容易想到的：对于外壁为光滑的管来说为制造内部构造所必要的径向作用力则由相对较宽的，布置在管外壁上的轧辊、滚轮或者球来施加。管在纵向方向上的推进则由一个单独的拉伸装置来实现。与此相反，对于两面都有构造的一体轧制成的加肋管来说则无论是用于同时成形外部构造和内部构造的径向力还是通过由相对较薄的轧辊盘构成的轧制工具以使管推进的轴向力都是由轧机单独施加的。效离最高的市售加肋管都是用轧辊盘制成，其厚度为0.40mm至0.65mm。

Claims (19)

1.换热器管(1)，其具有可选择的光滑的端部，在外管面和内管面上至少有一个具有构造的部位，还具有可选择的光滑的中间部位，这种换热器管具有以下特征：
a)在该外管面上螺旋线状围绕有整体形成的外肋(3)；
b)在该内管面上布置有整体形成的内肋(20)，它与轴线平行或者以螺旋角α＝0至70°(相对管轴线测量)成螺旋线状，形成初始槽(21)，其特征在于，
c)这些内肋(20)与按螺旋角β布置的次级槽(22)(相对管轴线测量)相交叉；
d)次级槽(22)相对于内肋(20)以一个至少10°的倾斜角γ布置；和
e)次级槽(22)的深度T达到内肋(20)的肋高度H的至少20％。
2.按权利要求1所述的换热器管，其特征在于，该倾斜角γ＝30°至100°。
3.按权利要求2所述的换热器管，其特征在于，该倾斜角γ＝60°至85°。
4.按权利要求1至3中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，当内肋(20)和次级槽(22)反向布置时，该倾斜角γ为倾斜角α和β之和；γ＝α+β。
5.按权利要求1至3中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，当内肋(20)和次级槽(22)同向布置时，该倾斜角γ为倾斜角α和β之差；γ＝α-β。
6.按权利要求1至5中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，次级槽(22)的深度T达肋高度H的至少40％。
7.按权利要求1至6中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，肋高度达H＝0.15至0.40mm。
8.按权利要求1至7中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，内肋(20)和次级槽(22)的交点密度达90至250个交点/cm2。
9.按权利要求1至7中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，次级槽(22)的深度T等于肋高度H。
10.按权利要求9所述的换热器管，其特征在于，该内管面具有一种棱锥台(23)的构造。
11.按权利要求1至10中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，在换热器管(1)的外包面上其内部构造的重量分配达500-1000g/m2，最好为600至900g/m2，而所用材料的密度为7.5-9.5g/cm3。
12.按权利要求1至10中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，在换热器管(1)的外包面上其内部构造的重量分配达150至300g/m2，最好为180至270g/m2，而所用材料的密度为2.5至3.0g/cm3。
13.按权利要求1至12中一项或多项所述的换热器管，其特征在于，其作为无缝管构成。
14.用于制造一种按权利要求1至13中的一项或多项所述的换热器管(1)的方法，这种换热器管具有螺旋线形状围绕在外管面上的和轴向平行地或者螺旋线状布置在向管面上的一体的，也就是由管壁加工出来的外肋(3)和内肋(20)，它们与次级槽(22)相交叉，其中要进行以下的加工步骤：
a)在光面管(2)的外面上在第一成形部位处成形出螺旋线状布置的外肋(3)，其方法是借助第一轧制步骤挤压出管壁的材料而获得肋材料并使形成的加肋管(1)通过轧制力而旋转并对应于所产生的螺旋线状的肋(3)推进，其中具有突起高度的外肋(3)由通常不变形的光面管(2)成形而成；
b)该管壁在第一成形部位处由一个位于管内的第一芯棒(15)支承住，该芯棒可以旋转并且是有轮廓的；
c)在第二轧制步骤里，在与第一成形部位间隔开的第二成形部位里轧制出具有更加突出的高度的外肋(3)，而且内肋(20)设置有次级槽(22)，其中，
d)该管壁在第二成形部位处由位于管内的第二芯棒(16)支承住，该芯棒同样也可以旋转并设计为有轮廓的，但此芯棒的轮廓与第一芯棒(15)的轮廓在螺旋角的数值或方向上都是不同的。
15.按权利要求14所述的方法，其特征在于，该成形部位的间距基本上选择为肋间距P的整数倍。
16.按权利要求14或15所述的方法，其特征在于，第二芯棒(16)的外径选择小于第一芯棒(15)的外径。
17.按权利要求14至16中一项或多项所述的用于制造按权利要求4所述的换热器管(1)的方法，其特征在于，芯棒(15，16)使用了反向取向的槽(17，18)。
18.按权利要求14至16中一项或多项所述的用于制造一种按权利要求5所述的换热器管(1)的方法，其特征在于，使用了具有相同取向的槽(17，18)的芯棒(15，16)。
19.按权利要求14至18中的一项或多项所述的方法，其特征在于，次级槽(22)的深度T通过选择芯棒(15，16)的直径和通过选择这二个轧制工具(11，12)中各自最大的轧辊盘的直径来进行调定。
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