CN1444003A - 带有加筋内表面的热交换管 - Google Patents

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CN1444003A CN02159555A CN02159555A CN1444003A CN 1444003 A CN1444003 A CN 1444003A CN 02159555 A CN02159555 A CN 02159555A CN 02159555 A CN02159555 A CN 02159555A CN 1444003 A CN1444003 A CN 1444003A
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Abstract

本发明涉及一个带有加筋内表面的热交换管(1)，该热交换管在圆周方向上划分成至少两个区域(Z1、Z2、…、Zn)，而这些区域又可以划分为至少两个区域类别(K1、K2、…、Kj、Kj+1、…、Km)。至少在一个区域类别(K1、K2、…、Kj)的区域中分布着其高度为h1且与管子轴向的倾斜角为α1的筋条(1)。至少在另一个区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)的区域中分布着其高度为h2、倾斜角为α2且与高度为h3、倾斜角为α3的筋条(3)相交叉的筋条(2)(α3≠α2)。最好使h2、h3≤h1。

Description

带有加筋内表面的热交换管
技术领域
本发明涉及一个带有结构性内表面的热交换管，热交换管的内表面符合由位于管子内侧的高纯物或者混合物组成的液体或者气体冷凝蒸发要求1的总概念。
在热交换器领域例如在用于制冷技术和空调技术的片式块状热交换器(Lamellenblock-Wrmeaustauscher)(比较图1)方面的世界性的竞争要求高效的、耗材少和成本低并以简单工序制造的热交换管。在片式块状热交换器中热交换管大多采用水平布置。
由于空调器经常设计成可以在夏天(制冷)运行和冬天(制热)运行之间转换，所以空调设备内外单元的片式块状热交换器和所采用的热交换管根据运行状况有时以蒸发方式有时以冷凝方式运转。相应地通常要求管子在两种方式下都具有良好的功率性能。技术状况：
热交换管符合技术状况的根据是
→EP 0.591.094 A1，在内表面上相同形状的筋条在与管子轴向有一个倾斜角的情况下呈螺旋形循环。特别是在蒸发情况下螺旋结构使整个管子的圆周得到完全的浸湿进而使热交换状况得到改善。不过对于下面提及的结构热交换能力特别是在冷凝情况下会明显地降低。
→DE 196 28 280 C2，在管子的圆周方向上在两个不同的方向之间筋条的精整逐段地发生变化。由于缺少优选方向并且由于与螺旋状的结构不同，在这里不会产生旋流。在蒸发方式的情况下这种内表面的结构形式证明不太适用，因为与在其内表面有为近壁流体设计的清晰优选方向的管子相比，这种结构所能得到的蒸发能力明显较小。另一方面在冷凝方式的情况下，由于不能通过这种结构得到完全浸湿并且在冷凝方式时由热交换限制的处于管子上半部的膜层很薄，所以这种结构显示出优良的热交换能力，然而也明显显示出增大的压降。
→US 6.298.909B1，与DE 196 28 280 C2的情况类似，在管子的圆周方向上在两个不同的方向之间筋条的精整逐段地发生变化。为了应付这种结构明显较高的压降，筋条高度在第二段的热交换范围中得到降低，采用的方法是通过相应的工具结构设计，而这种设计的缺点在于在这一交换范围中壁厚增大因而管子重量也增加，如果没有这种附加的材料，则既不能改善所使用的热交换能力又不能改善所需要的机械性能。如上所述，这种结构表现出良好的冷凝效果，但是对于当今技术状况来说其蒸发效果明显落后。
→EP 1.087.198 A1和JP-OS 10-047.880(Kobe Steel)，与DE 19628 280 C2的情况类似，在管子的圆周方向上在两个不同的方向之间筋条的精整逐段地发生变化。不过这里的区域交替着以不同的宽度出现，因此可能重新形成一个起主导作用的螺旋状的优选方向，该主导方向在蒸发方式时支持管子圆周的完全浸湿并促进热量交换。另一方面，螺旋结构会被足够频繁地中断以至于这一结构在冷凝能力上与符合DE 196 28 280 C2的结构有相似良好的数值。不利的是，管子较大的压降类似地也会像在DE 196 28 280 C2的情况一样出现。
→JP-OS 04-158.193(Fukukawa)，管子内表面在管子圆周方向划分为数段而筋条的几何形状以及倾斜角、筋条数量和筋条高度逐段地变化。
→JP-OS 2000-283.680(Kobe Steel)，在管子圆周方向上，在那些带有与纵向轴线倾斜分布的筋条的区域和那些筋条在其内部被开缺口的区域之间逐段地变化。缺点是筋条的缺口要求一个轧制步骤和一个附加的工具，因此加大了生产开支。对此，尽管进行凹穴的修整还是无法降低管子重量，因为材料只是被挤进处于筋条之间、事先成形的渠道中。
→JP-OS 02-280.933(Fukukawa)，在整个管子圆周上存在一个栅格状的筋条结构。只是那些主要在初级筋条之间的渠道内存在的次级筋条阻碍旋流的产生以及由蒸发导致的管子圆周的完全浸湿，因为不存在带有清晰的同时不受次级筋条妨碍的区域的范围。
任务：
发明的任务是实现一种带有内表面结构的、在以下各项要求之中表现出最佳值的热交换管：符合技术现状，在冷凝状态和蒸发状态都具有优良的或者有所改善的热交换能力、极小的压降、尽可能小的管子重量和经过降低的、根据结构-冲压步骤的数量计算出的生产成本。
在热交换管方面按照与发明一致的要求1的总概念完成任务的方法是将圆周方向上的内表面至少分成两个与管子纵向轴线平行分布的区域(Z1、Z2、…、Zn)，同时这些区域可以划分为至少两个区域类别(K1、K2、…、Km)并且在圆周方向上不同区域类别的区域以任意顺序轮换，同时在至少一个区域类别(K1、K2、…、Kj)的区域中分布着高度为h1、与管子轴向的倾斜角为α1的筋条，因此在存在数个区域类别(K1、K2、…、Kj)的情况下这些类别在至少一个特点上区分筋条高度和倾斜角，特征表示为，在至少一个其它区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)中分布着与管子轴向的倾斜角为α2高度为h2的筋条，该筋条与高度为h3、与管子轴向的倾斜角为α3的筋条相交叉(α3≠α2)，同时，在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)的区域中相互交叉筋条的高度h2和h3等于或者最好小于在在圆周方向是相临的区域类别(K1、K2、…、Kj)的区域中的筋条高度h1。
因此得出本发明的以下优点：
→一方面通过与管子纵向轴线呈一倾斜角的筋条区域的变化，另一方面通过以栅格状图样交叉的筋条区域的变化，由最先列举的区域给出培养旋流优选方向的可能性，这种可能性由于旋转作用支持管子圆周的完全浸湿并且有助于在蒸发方式时产生优良的有所改善的热交换能力。另一方面，在流体重新被强制进入优选的旋流方向之前，这一旋流由于带有栅格状图样的、用于破坏涡流和温度及浓度临界层同时能够继续提高热交换的较窄区域-优先但不是必须-而总是受到短暂的干扰。在有栅格状图样的区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)的区域中互相交叉筋条的切角算作两个补角|(α2-α3)|及|180°-(α2-α3)|中较小角的数值，共优先30°至90°(要求2)。
→另一方面对于冷凝运行来说，带有优选方向的螺旋结构受到足够频繁的中断，旋流受到在栅格状图样中相互交叉筋条的区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)中区域的干扰，在这些区域中的管子的上半部冷凝液的排出和冷凝液膜层厚度的降低都变得更容易。由此表明这种结构具有极好的冷凝能力。在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)中栅格状图样区域中所选择的宽度和对纯粹旋流的强制性干扰在良好的蒸发能力和冷凝能力之间是一种折衷方案。相互交叉筋条区域的宽度应选择比带有单一筋条区域的宽度更窄；特别是，相互交叉筋条区域的宽度应为带有单一筋条区域的宽度的3-70％(要求6和7)。
→针对EP 1.087.198中的技术状况，符合本发明的结构显示出减小了的压降，该压降是由于筋条高度的降低从而在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)中栅格状图样的、与管子纵向平行分布的区域中产生的。筋条在与高度为h1的筋条的比较中首先要确定较小的筋条高度h2或者h3。因此与符合EP 1.087.198的技术状况相反，跟随旋转的流体正好遇到较低高度的提升。
→然而由于提升的高度的减少可供使用的材料不像在US6.298.909中所述带来不必要的局部壁厚加强和带来不必要的管子重量增大，而是按照发明通过建立栅格状图样或者建立相互交叉的筋条有利于热传递面的继续增大进而有利于提高热交换能力，而在区域类别(K1、K2、…、Kj)的区域中高度为h1的筋条之间的槽底测量得到的或者在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)栅格状图样的区域中筋条之间的凹穴测量得到的壁厚，除了一个可能存在的焊缝截面点，在管子的圆周方向上是均匀的(要求9)。进一步地可以确定，尽管在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)栅格状图样的区域中降低了筋条高度，在有关轧制带料延伸率方面仍然存在着如在区域类别(K1、K2、…、Kj)的区域中可比较的数值。不必要的张力以及可能出现的带料波纹可以因此得到避免。
→符合要求1至9的所发明结构的其它优点在于，这种结构要在一个单独的轧制步骤中并且采用唯一的轧制工具来实现。与开缺口的结构相比，根据轧制步骤和加工步骤的数量计算的生产成本得到降低。然而一个附加的筋条缺口可以表明在区域类别(K1、K2、…、Kj)(要求10)的各个区域中具有其它的优点，尤其是在进一步提升热交换能力方面。
本发明的其它优越结构形式见要求3至8。
符合发明的热交换管的制造根据下面将要叙述的方法示范性地进行。通常使用铜或者铜合金作为热交换管的材料，但是上述发明并不受此限制。可以采用各种类型的金属，例如铝。首先对金属扁平带采取单级的轧压步骤，在带有一个符合发明结构的结构轧辊和一个支撑辊之间利用互补的表面形状。同时，在扁平带的一侧装备符合发明的结构，而另一侧则保持平滑或者采用一种这里没有叙述的结构。只是后面接着用作焊接的第一侧的边缘区域可以设计成可能的其它类型或者保持原样不变。在轧压步骤后，带有结构形状的扁平带被造型成为一个缝隙圆管，在焊接过程中纵向焊缝被焊上，如有必要管子还要根据期望的外径进入一个封闭的拉伸过程。由焊缝周围的有其它类型结构的区域或者无结构的区域对符合发明的热交换管的热传递能力可能产生的影响是微不足道的因而可以忽视。
下面借助于结构示例进一步详细解释本发明。
图1表示一台符合技术状况的片式块状热交换器(Lamellenblock-Wrmeaustauscher)，
图2用透视法表示一段内部加筋的热交换管，管子轴向上有焊缝，
图3图示符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的顶视图，
图4图示倾斜角α的定义，
图5图示模拟图3符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的顶视图，在偶数区域中相互交叉的筋条构成栅格状图样，
图6图示模拟图3符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的其它结构形式的顶视图，
图7图示符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的其它结构形式的顶视图，在奇数区域中区与区的倾斜角有所不同，及
图8图示模拟图7符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的顶视图，各个区的宽度有所不同，及
图9图示模拟图5符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的顶视图，在奇数区域(Z1、Z3、…)中的筋条显示出一个缺口，及
图10以放大的比例表示图8中的A-A截面，
图11图示用于制造符合发明的热交换管的结构轧辊的结构。
图1表示一台带有水平安置的热交换管(4)和未详细编号的金属片、符合技术状况的片式块状热交换器。
在图2中表示了外径未D的轴向焊缝焊接的热交换管(4)的一段。热交换管(4)显示出光滑的外表面、带有结构设计的内表面和一段焊缝(7)。由内表面结构的微小中断和由焊缝段(7)造成的对符合发明的热交换管(4)的热传递能力的影响可忽略不计。焊缝段(7)与管子的纵向轴线平行分布，位于两个以下要详细描述的区域Z之间，对区域变化的作用没有明显的影响。
图3是符合发明的带有折合内表面的热交换管(4)的顶视图。内表面在圆周方向上划分为不同宽度(B1至B5)的5个区域(Z1至Z5)，在区域类别K1的区域(Z1、Z3、…)中筋条(1)与管子轴向的倾斜角为α1。在区域类别K2的区域(Z2、Z4、…)中筋条(2)与管子轴向的倾斜角为α2并有相同的筋条高度h2同时筋条(2)被相同高度的筋条(3)交叉。在区域类别K内部，所属的区域在筋条图样、筋条高度和倾斜角方面具有相同的结构。在区域类别K2的区域中的相互交叉的筋条(2)和(3)具有互不相同的倾斜角α2和α3。图上的t是核心壁厚。在这种特殊的结构形式中筋条(2)与筋条(1)成直线排列并以与管子轴向成相同的倾斜角(α2＝α1)分布。一个区域类别的区域的宽度总是相同的，而区域类别K1的区域(Z1、Z3、Z5)宽度应大于区域类别K2的区域(Z2、Z4)的宽度。
图4解释了倾斜角α的有关数据。作为零点(0°)的管子轴向可以通过描述在管子轴向上从0°线向右运动带有正角(α＞0)时的筋条(1a)和在管子轴向上从0°线向左运动带有负角(α＜0＝时的筋条(1b)得到理解。
图5表示了模拟图3的符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的顶视图，在区域类别K2的区域中相互交叉的筋条(2)和(3)构成一个大约40°的切角并将其算作两个补角|(α2-α3)|及|180°-(α2-α3)|中较小角的数值。在区域类别K2的区域中相互交叉的筋条(2)和(3)完全地包围着一个凹穴(5)，它们构成一个封闭的菱形(6)的筋条组。这样就形成了一个栅格状的图样。在区域类别K2的区域中相互交叉的筋条(2)和(3)的筋条高度h2和h3小于在区域类别K1的区域中的筋条(1)的筋条高度h1。筋条(3)与管子轴向的角度为α3。在区域类别K1的区域(Z1、Z3、…)中的筋条(1)之间的槽底(9)测量得出的或者在区域类别K2的区域(Z2、Z4、…)中的筋条(2、3)之间的凹穴(5)测量得出的热交换管(4)的核心壁厚t，除了一段焊缝外，在管子的圆周方向上是均匀的。
图6图示了模拟图3的符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的其它结构形式的顶视图，在区域类别K2的区域(Z2、Z4、…)中相互交叉的筋条(2)和(3)构成一个大约90°的切角并将其算作两个补角|(α2-α3)|及|180°-(α2-α3)|中较小角的数值。
图7图示了符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的其它结构形式的顶视图，区域Z1至Z5被划分为三个区域类别K1至K3。在区域类别K1的区域(Z1、Z5)中筋条(1)的倾斜角为α1，而在区域类别K2的区域Z3中倾斜角为α1 *。在所示结构形式中筋条在奇数区域(Z1、Z3、Z5)中与管子轴向形成的倾斜角因区域不同而在α1和α1 *之间交替变化。在区域类别K3的区域(Z2、Z4)中相互交叉的筋条(2)和(3)构成一个栅格状的图样，它们总是以菱形(6)封闭的筋条组完整地围成了数个凹穴(5)。
图8图示了模拟图7的符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的顶视图，区域类别K3的区域宽度(B2、B4)只是区域类别K1和K2的区域宽度的大约50％。
图9图示了模拟图5的符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的顶视图，各个区域中的筋条都显示有缺口(8)。在所示的结构形式中，区域类别K2的区域Z3的筋条(1)有缺口(8)，缺口互相处于一条直线上，都与管子轴向成倾斜角α4。与图10中的描述相对应，缺口(8)的缺口深度k至少为筋条(1)的高度h1的20％。
图11描述了用于制造符合发明的热交换管(4)的结构轧辊(11)的结构。轧辊(11)是用数条轧带(12)制成的。键槽(13、14、15)被嵌入到各条轧带中，当轧辊(11)在由光滑支撑辊(16)的扁平带(10)上面滚压时，在一个轧压工序中制造出各个区域Z1至Z5中的筋条(1、2、3)。在描述的结构成形后扁平带(10)变成了缝隙圆管，经过纵向焊缝的焊接就留下了焊缝段(7)。
实施例：
模拟图5的符合发明的带有折合、加筋内表面的热交换管的结构形式以9.52毫米的管外径和在管子圆周方向上划分成七个不同宽度的区域的一个内表面为特征。区域的宽度由一个72°(4个宽区域)或者24°(3个窄区域)的倾斜角交变地事先给出。在宽区域中在圆周方向上每次形成12个高度为0.25毫米的筋条(1)，这些筋条与管子轴向有一个+20°的倾斜角α1而在窄区域中这些筋条成一直线有相同的倾斜角(α2＝α1)但筋条高度h2继续降低为15毫米。所以在窄区域中在圆周方向上每次有4个筋条(2)。筋条(2)在偶数区域与筋条(3)交叉，后者以与管子轴向成-20°的倾斜角α3反向分布，因此筋条(2)和(3)之间的切角合计为40°。筋条高度h3为0.15毫米。测量在筋条(2)方向上每长度单位上的筋条数后得出的偶数(Z2、Z4、…)区域中的筋条(3)的密度为每毫米1.45。与符合技术状况的管子相比，这种符合发明的热交换管的结构形式表明当管子的米重量不大时在热交换能力和压降方面具有极其优异的性能。

Claims (10)

1.热交换管(4)-
其内表面在圆周方向上至少划分成两个与管子纵向轴线平行分布的区域(Z1、Z2、…、Zn)，而这些区域又划分为至少两个区域类别(K1、K2、…、Kj、Kj+1、…、Km)；
所述处于不同区域类别的这些区域在圆周方向上以任意的顺序交换，此外至少在一个区域类别(K1、K2、…、Kj)的区域中分布着其高度为h1且与管子轴向的倾斜角为α1的筋条(1)，在存在若干个这样的区域类别(K1、K2、…、Kj)的情况下在至少一个特点上筋条高度和倾斜角有所区别；
其特征标记为：
至少在另一个区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)的区域中分布着其高度为h2、倾斜角为α2且与高度为h3、倾斜角为α3的筋条(3)相交叉的筋条(2)(α3≠α2)，这里，处于区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)区域中的相互交叉筋条(2)和(3)的高度h2和h3等于或者最好小于处于区域类别(K1、K2、…、Kj)中在圆周方向上相临区域的筋条(1)的高度h1。
2、按照权利要求1的热交换管，其特征标记为，在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)区域中相互交叉的筋条(2)和(3)构成一个30°至90°的切角。
3.按照权利要求1或2的热交换管，其特征标记为，在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)区域中筋条(3)的筋条密度通过测量在筋条(2)方向每个单位长度上的筋条数目获得，为每毫米0.5-4，最好为每毫米1-3。
4.按照权利要求1至3中一个或数个要求的热交换管，其特征标记为，在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)区域中相互交叉的筋条(2)和(3)生成一个栅格状图样，同时一个区域中的筋条(2)和(3)以完整的曲线(6)至少围住一个凹穴(5)。
5.按照权利要求1至4中一个或数个要求的热交换管，其特征标记为，区域可以划分为两个区域类别(K1、K2)并且区域类别K1和K2的区域在圆周方向上交替变化，这里，在区域类别K1的区域中分布着其高度为h1且与管子轴向的倾斜角为α1的筋条(1)，在区域类别K2的区域中分布着其高度为h2且与管子轴向有相同的倾斜角α2(α2＝α1)同时与筋条(1)成一直线的的筋条(2)，以及分布着其高度为h3、与管子轴向的倾斜角为α3并与筋条(2)交叉的筋条(3)(α3≠α2)。
6.按照权利要求5的热交换管，其特征标记为，在一个区域类别中圆周方向上测量的区域宽度B总是相同的并且区域类别K2中的区域宽度小于区域类别K1中的区域宽度。
7.按照权利要求6的热交换管，其特征标记为，区域类别K2中圆周方向上测量的区域宽度为区域类别K1中区域宽度的3％至70％。
8.按照权利要求5至7中一个或数个要求的热交换管的特征标记为，筋条(1)的高度h1为0.15-0.40毫米。
9.按照权利要求1至8中一个或数个要求的热交换管，其特征标记为，在区域类别(K1、K2、…、Kj)的区域中筋条(1)之间的槽底处测量得出的或者在区域类别(Kj+1、Kj+2、…、Km)中筋条(2、3)之间的凹穴处测量得出的热交换管的核心壁厚除了焊缝截面处以外在管子的圆周方向上是均匀一致的。
10.按照权利要求1至9中一个或数个要求的热交换管，其特征标记为，在区域类别(K1、K2、…、Kj)的单个或多个区域中筋条(1)带有缺口(8)，缺口(8)有一个与各个区域筋条(1)的倾斜角α1不同的角度α4并且其分布与管子轴向成一直线，缺口深度k至少为各个区域筋条(1)高度h1的20％。
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