CN1690639B - 增密的热交换器管束 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器螺旋管组件的组装密度以增加对给定热交换器尺寸的热传递表面面积。这就允许热交换器的螺旋管组件中的管路数相对于现有技术被增加。该螺旋管组件由处在装置的螺旋管组件中的基本上等距分隔开的蛇形管路的排列构成，以相邻管路安排成平行偏置的形式在其中相邻回弯是搭接的。管子具有有效直径D。凹陷区域设置在搭接的点处以便局部地减小搭接处的直径。这就提供管路到管路的密度D/S＞1.0，最好大于1.02，其中S是相邻管路之间的间距而D是管子的有效直径。凹陷区域仅提供最小化的内流体压力降的增加但产生增加的热传递表面面积因为在给定尺寸的应用中可以添加附加的管路。本发明的螺旋管组件对各种型式的热交换器是有用的。

Description

增密的热交换器管束
技术领域
本发明涉及一种具有一致的增密结构的热交换管束。更具体地是，此发明涉及这样一种管束与制造方法，在该方法中至少在返回弯的搭接区域处设置凹坑因此构成的搭接管可以用一种增加的密度被组装，其中，相邻管子之间回路到回路的间隔小于各根管子的投影的横截面面积。
背景技术
已知有各种各样热传递管束系统。典型的冷凝器和封闭回路冷却塔包括许多长度的接成一排列的管束。管子可以形成蛇形的或者形成一系列分散的穿入集管部分的管子。该管道包含一个冷凝蒸发器或要冷却的介质；诸如水。在完成的产品中，空气和/或水受迫流过管子的整个外表面。
例如，在美国专利No.3132190与3265372中介绍并示出反流蒸发热交换器。那些热交换器包括一个向上延伸的包含螺旋管组件形式的一排管子的管道。在螺旋管组件上方的管道中设置一喷射部分以向下遍及管子喷水；同时设置一风扇以便向其底部附近的管道中以及向上与向下流动喷射的水成反流关系的管子之间鼓风。来自流过螺旋状组件管子的流体的热经管壁传递到向下喷射到管子上的水；同时向上流动的空气导致某些水的部分蒸发并从水传递热和质量到空气。因此加热的和湿润的空气于是向上流动并从系统流出。剩余的水收集到管道的底部并被泵回同时通过喷嘴以再循环的形式泵出。
还有其它蒸发型热交换器，在该热交换器中液体和气体以相同方向流遍螺旋状组件。这些其它装置的例子，这些装置通常称为共流流动热交换器，并在美国专利No.2752124，2890864，2919559，3148516和3800553中表示。
上述仅仅是螺旋管热交换器的型式。还有其它型式，诸如螺旋管/充填式，这种型式设置一个间接蒸发热交换器和一个直接蒸发热交换器系统二者。美国专利No.5438382是这种热交换器的一个例子。
在上述传统的系统中已经尝试热传递管束设计的各种不同的方法。在较早的设计中，圆管道的螺旋管组件组装在紧密的数排列中以增加表面面积。能够组合到螺旋状管束中的管道的数目受管道直径的限制。这是因为回弯彼此搭接同时因此当间隔紧靠在一起时彼此接触。
后续的设计，诸如美国专利No.4196157，针对稀疏的热传递管束，在该管束中增加间隔以允许管子之间的较多的气流、较高的内膜系数、和较好的管子的湿润以试图增加总的热传递率。其它设计，诸如美国专利No.5425414和5799725中的那些，保持组合密度高并使用环形回弯系统，但是在直线部分提供椭圆形管子截面以试图增加气流。以这种例子的组合还受环形回弯的直径的限制。德国专利公告No.DE3413999C2是针对椭圆管子和在U形弯中形成椭圆管子的问题的描述。
某些现有技术设计试图通过稍“下拉”成束的管道以增加容量，例如通过在装配过程挤压夹紧整个管束。尽管已经发现这样做对于给定的热交换器尺寸(典型的为1/64英寸等)可以稍微压缩间隔，但是这种挤压不能均匀地对管束起作用，而代之以关注最末端管子上的挤压力。如果过份向下拉，这导致管束具有非恒定的流动特性，因为最末端管子(最上和最下的)可能不成比例地变形从而在这些管道处引起流动或压力问题。由于这些原因，“向下拉”一般被限制在不大于回弯宽度的2％。因此，通过“向下拉”将组合限制到一般小于1.0，和可能稍大于1.0(达1.02)的密度。但是，这种增加的密度不是可控制的均匀或精确。
发明内容
对于给定的热交换器尺寸就需要一种能增加热传导表面面积的一种改进的热交换器管束设计与制造的方法。
还需要能增加管束密度的热交换器管束设计。特别需一致地增加管束密度的热交换器管束设计，因而所有的管路能保持恒定的功能性。
本发明能使增加的热传递表面面积组装到现有设计的相同空间/尺寸限制中或者相反，能使现有技术的相同的热传递表面面积设置到占据较小空间的腔室中。任何一种技术增加了热传递表面面积/成本的比。本发明还通过提供超过现有技术设计的管道来降低热交换器中的压力降。
本发明以一种新颖的方法实现这些目的。根据本发明的一个方面，热交换器的螺旋管组件中的管子的数目从过去已经考虑可能的数目增加到对给定热交换器尺寸提供最大热传递表面面积的数目。该螺旋管组件由处在螺旋管组件中不同水平上的基本上相等地分隔开的管子段的排构成。根据本发明的这一方面，该螺旋管组件被设置成具有有效直径D的单个管路和小于D的管路至管路间距S。当使用非圆形截面时，被pi(π)除的外周边看作为有效直径D。
本发明可以在任何型式的热交换器中来实施，其中设置搭叠的由管子构成的管路。管子可以是连续的或非连续的，诸如具有分开制造的回弯的直管子。非限制性例子包括蒸发式冷却热交换器、空气冷却热交换器、和壳式及管式热交换器。本发明的螺旋管组件对使用螺旋管子特别有利。仅螺旋管式热交换器可以表示出改进的功能特性因为本发明的螺旋管组件能使较大的热传递表面面积设置在相同的空间限制中。但是，在某些应用中有可能存在相反的降低的气流，因为管路之间的流动路径被或多或少地减少，这就抵消较大热传递表面面积的某些热优越性。但是，本发明在螺旋管/充填式热交换器中最有用因为增加管束密度不降低整个装置流量到同一程度，这可能仅在传统的螺旋管束中如此。
使用凹坑以局部降低搭接面积中管道的外尺寸是有利的，因为它仅仅具有与整个回弯的挤压相比在内部流体压力降中最小的增加。此外，凹坑比整个回弯的挤压更易于形成，同时具有，如果有的话，对管道结构特性的最小影响。此外，在凹坑中叠垒的相邻管道的堆叠起到强化该凹坑区域、降低任何这种影响的作用。
在本发明的实施例中，预定尺寸的凹槽或“凹坑”，最好具有管道直径的2.5％至50％之间的深度，被局部地设置在至少在两个搭接的相邻管段上的一或几个预定点处。当这种管段堆叠在一起时，相邻回弯叠垒在这些凹坑中，使得管路比传统的非凹坑状回弯能更紧地组合。一个示例性实施例具有1/16英寸至3/16英寸之间深度的凹坑。但是，凹坑并不局限于此。实际的凹坑尺寸可基于几个标准来选择，包括要挤压的程度/密度、结构性的考虑，以及如被流体、气体或两相速度和/或压力降所允许的管的横截面面积的最大减少量。
在一个示例性的实施例中，凹坑设置在每个回弯的两侧上。在一个可选的实施例中，凹坑设置在每隔一个的回弯的两侧上，保留相邻回弯非凹坑化但产生完全相同的作用。还在另一示例性的实施例中，每个回弯在管道一侧上的两个地方凹坑化因此不论管路堆叠的顺序，该管束通常将被一致地叠垒。还是在另一示例性实施例中，可以在所有管子的两侧上实施凹坑化，但具有降低的或较小的公称的凹坑尺寸。这与仅在一侧上设置的较大凹坑具有相同的最终效果。还在另一实施例中，可以通过使用一种在流程方向上的非环形减小的横截面达到相同的效果。这一例子可以是一种椭圆形横截面。
在本发明的示例性实施例中，由模具或夹具能一次形成许多凹坑，该方法基本上同时地对一管路上的所有需要的区域形成凹坑。或者，可以在螺旋回弯形成的过程中形成单个的凹坑。可以基于所用的管子制造的特殊方法选择产生的特殊方法。
本发明的技术方案如下：
根据本发明，提供一种用于热交换器的螺旋管组件，包括：至少二根蛇形管子构成的一排列，每根蛇形管子包括纵向管部分、回弯部分、入口端与出口端，所述纵向管部分具有有效直径D，所述回弯部分具有有效直径D，所述至少二根蛇形管子叠置成一种交错的平面布置，相邻回弯至少部分地搭接；所述至少二根蛇形管子中的至少一根设有至少一个凹陷区域，凹陷区域与和蛇形管子中的相邻一个的回弯搭接的点重合，其中所述至少二根蛇形管子被密集地组装以便蛇形管子中的相邻蛇形管子在至少一个凹陷区域套叠以提供大于1.02的蛇形管子到蛇形管子的组装密度D/S，其中S是每根相邻蛇形管子之间的间距，而D是蛇形管子的有效直径。
优选地，凹陷区域具有蛇形管子的有效直径D的2.5-50％之间的深度。
优选地，凹陷区域具有在搭接点与相邻回弯匹配的轮廓。
优选地，轮廓是半球形的。
优选地，凹陷区域设置在蛇形管子中的至少交错的蛇形管子的至少顶侧和底侧中的至少一个上。
优选地，凹陷区域设置在蛇形管子中的交错的蛇形管子的顶侧和底侧上。
优选地，凹陷区域设置在顶侧或底侧的左和右二末端处以便在任一方向允许偏置和搭接。
优选地，凹陷区域由凹坑来形成。
优选地，所述至少两根蛇形管子包括三根或更多根蛇形管子，蛇形管子到蛇形管子的间距S在螺旋管组件的所有蛇形管子之间是一致的。
根据本发明，提供一种热交换器，包括：由至少两根蛇形管子构成的一排列，每根蛇形管子包括纵向管段、回弯部分、入口端与出口端，所述纵向管段具有有效直径D，所述至少两蛇形管子叠置成交错的平面布置，相邻回弯至少部分地搭接；所述至少两蛇形管子的至少一根设有至少一个凹陷区域，所述凹陷区域和与所述蛇形管子中的相邻的一根蛇形管子的回弯搭接的点重合，连接到所述至少二根蛇形管子的每一根的入口的入口总管；连接到所述至少二根蛇形管子的每一根的出口的出口总管；以及具有预定尺寸且罩住该螺旋管组件并包括气体入口和出口的管道，其中蛇形管子构成的排列被密集地组装以致蛇形管子中的相邻蛇形管子在至少一个凹陷区域套叠以提供大于1.02的蛇形管子到蛇形管子的组装密度D/S，其中S是每根相邻蛇形管子之间的间距，D是蛇形管子的有效直径。
优选地，进一步包括风扇，风扇被设置成能使气体从管道气体入口移动通过螺旋管组件并移出管道气体出口。
优选地，进一步包括在螺旋管组件上面设置的液体分配系统以将液体向下分配而遍及螺旋管组件。
优选地，热交换器是一种蒸发式热交换器。
优选地，蒸发式热交换器是一种间接热交换器。
优选地，蒸发式热交换器包括直接蒸发式热交换部分和间接蒸发式热交换部分。
优选地，热交换器是螺旋管/充填式的。
根据本发明，提供一种用于热交换器的螺旋管组件，包括：由蛇形管子构成的排列，每根蛇形管子包括纵向管段、回弯部分、入口端及出口端，所述纵向管段具有有效直径D，蛇形管子构成的排列被叠置成交错的平面的布置，相邻的回弯至少部分地搭接；以及与相邻蛇形管子的回弯的每个搭接点重合的凹陷区域，所述凹陷区域设置在搭接的回弯中的至少一个的表面上，每个凹陷区域限定一个减小直径的区域，连接到所述至少二根蛇形管子的每一根的入口的入口总管；连接到所述至少两根蛇形管子的每一根的出口的出口总管；以及罩住螺旋管组件并包括气体入口和出口的具有预定尺寸的管道，其中蛇形管子的排列被密集地组装，蛇形管子中的相邻的各根蛇形管子在凹陷区套叠并限定一致的每根相邻蛇形管子之间的蛇形管子到蛇形管子的间距S，该间距小于蛇形管子的有效直径D。
优选地，减小直径的区域具有蛇形管子的有效直径D的2.5-50％之间的深度。
根据本发明，提供一种热交换器，包括：上述的螺旋管组件；连接到至少二根蛇形管子的每一根的入口的入口总管；连接到至少二根蛇形管子的每一根的出口的出口总管；以及罩住螺旋管组件并包括气体入口与出口的具有预定尺寸的管道。
附图说明
图1是根据本发明的螺旋管/充填式示例性热交换器的局部剖视的侧视图，该热交换器包括一个间接蒸发式热交换器部分和一个包括紧密化的热管束的直接蒸发式热交换部分；
图2是本发明的另一示例性实施例的侧视图，在该实施例中紧密的螺旋管组件仅在螺旋管式热交换器中设置；
图3是图1的示例性热交换器中热管束部分剖视的平面视图；
图4是沿图3的4-4线取的视图；
图5是表示构成根据第一现有技术的热交换器形成螺旋管组件一部分的管段排的部分透视图；
图6是表示构成根据第二现有技术的热交换器形成螺旋管组件一部分的管段排的部分透视图；
图7是表示构成根据第三现有技术的热交换器形成螺旋管组件一部分的管段排的部分透视图；
图8是表示构成根据本发明的示例性实施例形成螺旋管组件一部分的管段排的部分透视图；
图9是构成根据本发明的一个别管路的示例性螺旋管的正视图；
图10是图9的管子的每个回弯的局部正视图；
图11是在凹坑区中的图10的回弯的局部平面视图；
图12是根据本发明的示例性实施例的管组件的头部总管接受端的端视图；
图13是一示例性V型凹坑工具用以形成回弯中的双边凹坑区。
具体实施方式
本发明的螺旋管组件装置可应用到许多不同型式的热交换器，包括，但不局限于，应用到间接蒸发式热交换器、空气冷却热交换器、储热装置、以及壳式和管式热交换器。在一个间接蒸发式热交换器中，涉及三种流体流：一个空气流、一个蒸发液体流、和一个内封的流体流，该内封的流体流可以是一种液体或气体。该内封的流体流首先通过间接热传递与蒸发的液体交换热，因为它不直接接触蒸发的液体，然后蒸发的液体与空气流当它们彼此直接接触时蒸发地交换热。在一个直接蒸发的热交换器中，仅仅包含一个空气流与一个蒸发的液体流同时当它们彼此进入直接接触时该两股流蒸发地交换热。该蒸发的液体典型的是水。
闭环蒸发的热交换器可以广泛地分成三个主要的类别：1)可独立应用的间接蒸发式热交换器；2)组合直接和间接蒸发式热交换器，和3)螺旋管小室(coil shed)。
可独立应用的间接蒸发式热交换器代表第一组。具有以反流、交叉流或同时并流的空气和蒸发液体流的产品是市售的，虽然反流设计为主导。
第二组包括组合间接的与直接的蒸发式热交换部分二者的产品。末一组包括螺旋管小室，该螺旋管小室包括直接蒸发的和非排风间接热交换器。
可以设置本发明的紧密的螺旋管组件的热交换器的第一示例如图1所示。该热交换器装置10是螺旋管/充填式并可以用作一闭路冷却塔。通常，装置10包括一个封闭结构，该结构包括一个多回路间接蒸发式流体冷却部分80、一个直接蒸发式热交换部分90、一个最下面的蒸发液体收集槽，该槽通过一个有喷嘴52的管子分配系统50将液体分配到一个最上面的水喷射组件14、和一风扇组件18。该水组件14通过装置10向下喷射蒸发的液体。该风扇18，通过皮带40由电机驱动，使空气流移动通过每一个热交换部分80和90，虽然天然的通风也是一种移动空气的适用方法。风扇18既可是一种感应式或受迫的通风离心风扇也可以是一种普通的螺旋桨式风扇。
装置10在热交换领域具有许多应用。例如，装置10可以用于冷却单一相的、可感知的流体如水，该流体在一个外供给的封闭回路系统内流动，或者它可以用作预冷和冷凝一也是从外封闭回路系统供给的多相、可感知的和潜热的流体诸如致冷气体。最后，对装置10使用的实用领域还包括作为湿润空气冷却器的工作，其中排放的空气从出口用管子输送离开现场而用作一种新鲜的、冷却的空气供给某一作业如采矿。
将变得很明显，包括上述构件的结构也可以用许多不同的方法设置并形成；装置10也不严格地局限于一种形态或设置。
包括一个具有一排管子66的单一螺旋管组件的间接热交换部分80被叠置在直接蒸发式热交换部分90上面。该间接热交换部分80接受从现场外工艺来的要被冷却的流动的热流体并且通过间接的可感知热交换与直接蒸发式热交换的组合在此部分冷却它。通常是冷却水的蒸发的液体由间接部分上的组件14向下喷射，因而与要被冷却的液体交换间接的可感觉的热，同时进入主要空气入口100的大气的流当该两种介质通过螺旋管组件向下移动时蒸发式地冷却蒸发的液体。在此特殊实施例中，所示进入的空气流以一个方向进入并流动，该方向平行或者并流于冷却水的方向，虽然空气流动的流并不局限于任何特定的流动型式，当以后说明其中的一种交叉流空气流动型式时，这将更明显。一旦空气与水冷却介质到达间接部分80的底侧，它们与要被风扇18吸引的空气流分开，同时水重力地下降到直接热交换部分90中。然后，通过风扇，空气被从装置10排走，同时如将要简单说明的水在直接热交换部分中被冷却。进入入口100的空气流将仅供给用于在间接热交换部分中冷却的目的空气，而不管通过所述部分的实际的空气流动型式。
该直接蒸发式热交换部分90起冷却水的功能，该水被加热并从间接热交换部分80下降。直接蒸发式热交换部分90包括构成充填管束92的紧密地分隔开、平行、塑性薄片(plastic sheets)构成的排列，虽然充填束92可以由传统的散开式充填形成。由充填束92从间接部分80接受的热水跨过每个充填片被分布因此进入二级空气入口的外面大气的源蒸发式地冷却下降到薄片的热水。此处所示大气流以一种对下降的通过充填束92排放的热水的交叉流型式进入直接部分90，虽然可以采用其它空气流动的方案。
第二个可以设置本发明的螺旋管组件的示例的热交换器如图2所示并包括大致垂直的薄片金属结构管路10且具有，在其内部的不同水平处的，一个上面的雾消除器组件12、一个水喷射组件14、一个螺旋管组件16、一个风扇组件18、和一个下水槽20。
该垂直管道10可以是，通常均匀的，矩形横截面并包括垂直的前和后壁24和22(图2)以及垂直的侧壁26和28(图3)。一对角线壁30从前壁24向下延伸到后壁22的底以便限定一水槽20。风扇组件18被置于对角线壁30的后面和下面。但是，这仅仅是放置的一个说明的例子。可以替代其它传统的或相继开发的布置。风扇组件包括一对离心扇32，该离心扇的每一个具有一出口壳34，该出口壳通过对角线壁30伸出并进入水槽20上面和螺旋管组件16下面的管道10中。该风扇32可以共用一借助于通过皮带40连接到驱动电机42的驱动皮带轮旋转的共用驱动轴。
可以设置一再循环管线44以通过靠近水槽20的底部的管道10的侧壁26延伸以便再循环水回流到水喷射组件14。
该水喷射组件14包括一个沿侧壁26延伸的水箱48和一对分配管子50，该管子水平地从水箱跨过装置(风道)10的内部延伸到其相对的壁28。每根管子50装有许多喷嘴52，该喷嘴喷出相互交错的扇形水雾以提供遍及整个螺旋管组件16的均匀分布的水。
雾消除器组件12包括许多很近地间隔的窄长带54，该带沿其长度弯曲以形成从水喷射组件区域出来通过管道10的顶部的波浪形通道。还要注意雾消除器组件基本上跨越整个该管道的横截面延伸，同时，由于管道10的横截面基本上是均匀的，因此雾消除器组件占据基本上与螺旋管组件16相同的管道10的横截面面积。
根据任一实施例的螺旋管组件16更好地如图3-4所示并包括一个上入口总管56和下出口总管58，它们邻近侧壁26水平地跨过管道10的内部延伸。该总管借助于侧壁26上的支架60夹持在适当位置。入口和出口流体管道62和64穿过侧壁26并分别与上和下总管56和58联通。这些流体管道被连接以便接受要被冷却或冷凝的流体，例如来自空调系统(未表示)中压缩机的致冷剂。
许多冷却管子66在连接上和下总管56和58之间。每根管子优选借助于靠近侧壁26和28的回转180°弯曲部68(和70)形成为蛇形排列，以致每根管子的不同段大致水平地跨越管道10的内部在侧壁26和28之间，在管道10的不同水平高度、沿着平行于并紧密与其它管子66的每一根的平面隔开的垂直平面来回延伸。还应注意，管子66被沿交替错开的排布置。可以见到，每个总管56和58设有一个上和一个下排的开口以便在此二不同的水平上接受管子66。这些管子可以具有任何适合的外直径D，诸如3/8-2英寸。但是在一优选的示例性实施例中，它们具有1.0-1.25英寸的直径。回转180°弯曲部68也可具有任何适合的弯曲半径。但是，一个示例性实施例具有一个1.5-2.5英寸的半径。此外，邻近的管子的各段的对应水平应该沿垂直方向彼此偏置，其偏置量近似地等于180°弯曲部的半径。
为了在弯曲部68(和70)处支撑管子66，设置水平延伸的支撑杆72，这些杆安装在壁26处、在支架60之间、在壁28处、在支架74之间。
在横剖面中该螺旋管组件16包括管子段66的若干排，这些管子段66由于相邻管子的偏置安排而安排在不同水平或标高处。此组件类似于许多先前的螺旋管组件设计，但在密集的程度上不同，由以下讨论的图5-8较好地表示出。
正如American Society of Heating，Refrigeration and AirConditioning Engineers(“美国供热、致冷和空调工程师协会”)的标准手册中说明的，两个分立的热传递过程包括在蒸发式热交换器的工作中。在第一热传递过程中，热量从要冷却的或冷凝的流体通过管壁传到流过管子的水。在第二过程中，热量从流遍管子的水被传递到向上流动的空气。此二过程可用以下两式插述：
1.q＝A(tc-ts)Us；以及
2.q＝A(hs-hl)Uc，
式中q＝传递的总热量；A＝总的管子表面面积；tc＝管子中流体的温度；ts＝管子外面水的温度；Us＝流体至水的热传递系数；hs＝在ts饱和空气的焓；hl＝大气的焓；以及Uc水到空气的热传递系数。
在两个热传递过程中，热传递的量通常正比于总的管子的表面面积，假设对热传递系数没有偏置的损失同时存在一相应的气流的增加。这对于最小化这种偏置的螺旋管/充填管的设计中可能特别有利。
图5表示现有技术管子构形的螺旋管组件16的横截面的分解视图，在其中直径D1的圆形螺旋状管子66设置成一搭接构形，并且在一紧密的组合中很近地靠在一起。使用这种布置，可以实现最佳的回路到回路的间隔S1，该间隔等于或稍大于D1。这就导致回路密度D1/S1＜1.0。
图6表示另一现有技术的螺旋管组件16横截面的分解视图，由美国专利No.5425414作为例子。在此设置中，椭圆形螺旋管66设置成一搭接构形，并且在如图5的紧密组合中很近地靠在一起。虽然管子的纵向布置是椭圆的，但是回弯是环形的以直径D2表示。因为是椭圆的管子，在椭圆的管子之间提供附加的空气流动。但是，因为在回弯区域中的一般的环形横截面，管路到管路的间距S2保持等于或稍稍大于如图5中的D2。仍然是，管路密度D2/S2＜1.0。
图7表示现有技术的螺旋管组件16横截面的分解视图，由美国专利No.4196157作为例子的。在此设置中直径D1的圆形螺旋管子66设置成一搭接构形，并由垫片杆76隔开。这就导致大于D3的管路到管路的间距S3。特别是，间隔S3等于管段的直径D3加垫片杆76的厚度。这就导致密度比图5-6的要低的稀疏的管道布置。也就是，管路密度D3/S3＜＜1.0。
从过去到现在相信管子束的可达到的密度是有限制的。使用传统的堆叠，密度(Dx:Sx)≤1.0因为在搭接部分的接触。即使以“向下拉”的方法，该密度仅仅可以增大到≤1.02。但是，通过本发明的螺旋管组件与方法，可以以密度(Dx:Sx)大于1，优选大于1.02，来准确地组合各个管子回路，这种增加的表面积可以被设置在一给定的热交换器区域以内。
图8表示根据本发明的螺旋管组件16的横截面的分解视图，其中螺旋管66设置成一种搭接构形并且以较紧密的、更密实的组合很近地靠在一起。这些管子具有直径D4。但是，通过在每个搭接的一或几个区域处在管子中设置一或更多个凹陷，本发明的螺旋管组件能够有的回路到回路的间隔S4，它稍小于D4，这导致螺旋管的密度D/S＞1.0，优选大于1.02。此外，因为凹陷可以先于组装在搭接区域中形成，所以凹陷可以更精确地加工，因此可以在整个组件上提供精确、优选一致的、回路到回路的间隔S4。这就实现一种更稳定的热交换器的工作，其中每个管道具有基本上相同的流量、压力降和其它特有的热交换器性质。
该凹陷可以包括，例如，凹痕、空穴、沟槽、缺口或凹坑，它们减小管道在搭接区域的尺寸。凹陷基于几项标准将具有预定的深度，该几项标准包括希望挤压的程度/密度、和流体所允许的管子横截面积的最大减小量、气体或两相速度和/或压力降。示例的凹陷由凹坑形成并且当在管道的一侧上设置时它具有管子直径的5％至50％的深度。在一个特殊的示例性实施例中，凹坑为1/16至3/16英寸的数量级。但是，当凹坑设置在两侧上时，该凹坑可以具有2.5％至25％的减小的深度，因为互补的凹坑与单侧的凹坑相比在密度增加上具有双倍的有效增加。
在图8的例子中，表示一种圆形横截面。虽然这是一个优选的构形，在某些例子中，它可以优选用于非圆形横截面的管子。术语“直径”在这些例子中被理解为在堆叠或搭接方向上跨越管子横截面的沿直径的距离。当管子不是圆形时有时这也可以认为是投影的横截面面积。
在图2-4和8的示例性热交换器的工作中，要冷却或冷凝的流体，诸如来自空调系统的致冷剂，通过入口管道62流入热交换器。然后由上总管56将此流体分配到冷却管66的上端；同时它通过管子向下流动，同时在其不同的水平往返跨越管道10的内部直到它达到下总管58，在那里它被收集并通过出口管道64传递出热交换器。当被冷却的流体通过管子66流动时，从喷嘴52向下喷射水遍及管子的外表面同时空气从风扇32向上吹到管子之间。喷射的水汇集在槽20中并且通过喷嘴再循环。向上流动的空气通过雾消除器组件12并向上排出系统。
在其通过冷却管子66向下流动的过程中，该被冷却的流体放热到管子的壁。此热向外经管壁传到向下流过它的外表面的水。当向下流动的水遇到向上移动的空气时，水散热到空气中，二者通过可感觉的热传递和通过潜在的热传递，即通过部分蒸发。剩余的水向下落回到槽20中在那里它被汇集以便再循环。当向上移动的空气遇到向下流动的水并从水吸收热时，空气也带走一定量的呈小滴状的水，它带着小滴状的水向上从螺旋管组件16带出并向上带出水喷射组件14。但是，当空气经过雾消除器组件12时，其流量在横向迅速地变化同时由空气携带的液滴被从空气中分离并被沉积在雾消除器组件上。然后此水落回到喷射与螺旋管组件上。同时，基本上无水滴的最终的高湿度空气通过管道10的上部排出到大气中。
在本发明的某些实施例中，螺旋管组件管66的表面面积可以通过使用近间隔的叶片而进一步增加，该叶片在水平方向从管段的表面向外延伸。
在某些关注可允许的压力降的应用中，典型地使用四边形式的管束。虽然使用的管道的表面积和总长度相同，但四边形管束供给象标准管束一半管长度的管道的两倍。这就以近似7的因子减少向流体的压力降，但是由于较低的管的速度也降低总的热传递系数，即使这样还是提供类似的热传递表面面积。但是，四边形管束一般比标准管束更昂贵，具有低5％至15％的热性能。这部分是由于必需制造、运送和焊接到头部总管中的附加的管道的数量，以及由于较低管速的较低内膜系数。但是，本发明的增密的管束允许标准管束设计在达到压力降限制之前扩展其热工作范围，这是通过使更大的内流动面积能组合到相同的空间中。这样通过使用增密的管束，可以降低对四边形管束的需要。
参照图9-13将介绍螺旋管组件的示例性制造方法。图9表示通过挤压和弯曲钢管66的一连续长度成为所示蛇形而形成的单根管子回路。四十根这些回路将被组合成一个40-回路热交换器。由直径1.05英寸的圆管形成每根管子66以具有：从管端到回弯半径中心线的
Figure G200510052406501D00151
英寸的内长度L1；从回弯半径中心线到回弯半径中心线的英寸的长度L2；以及总长度英寸L3。但是，特定的尺寸只意味着为说明而不是限制。
如图10所示，管子66的每个回弯68具有
Figure G200510052406501D00154
英寸的外半径(
Figure G200510052406501D00155
英寸的总宽度)。在回弯的最外端形成至少一个凹坑区域68B。每个凹坑区域的尺寸与形状要定得与相邻搭接的回弯管轮廓配合并成套。在所示例子中，在每个回弯的上表面的左和右两侧设置二对称的凹坑区域。更具体地是，在此特定的例子中，使用一个大约30°的角，该角是从垂直于管子纵轴的端平面测量的。这是通过几点构成三角形来计算，在那几个点处角度与纵向和横向轴线交叉。但是，该角度将根据回弯的形状与搭接而变化。
凹坑区域68B具有一个尺寸定得可以接受相邻搭接回弯的宽度。最好是，该凹坑具有对应于管子轮廓的曲率。在此例中，该凹坑是半球形且具有近似0.15英寸的深度如图11所示。
在本发明的示例性实施例中，该凹坑可以由模具或夹具总体地形成，即对回路上所有要求的区域基本上同时形成凹坑。或者，在形成螺旋回弯的过程中可以形成单个的凹坑。可以基于使用的管子制造的特殊方法来选择生产的特殊方法。在一个示例性实施例中，可以使用传统的制凹坑工具手工形成该凹坑，该方法既可当形成每一个单个的管子66的回弯68时进行，也可以在完成个别管道66之后手工进行。在另一实施例中，该过程也可以通过构成一夹具来自动化，如图13所示的凹坑夹具120。此夹具能使二凹坑区域68B同时形成。通过提供若干个这种凹坑夹具，每个回弯用一个，可进一步自动化这个过程。如果所有这种夹具被统联或转位，则可以对每根单独的管道66以单一的操作或行程完成凹坑。此后一个实施例具有提高生产率和确保凹坑精确度的优点。
在管子上可以提供各种不同的凹坑构形。在示例性图10的实施例中，在管道的一侧(顶或底)上的两个地方凹坑化每个回弯所以不管回路堆叠的顺序，管束总是均匀地套叠。但是，凹坑化可以在每个回弯的两侧上设置。在一个可选的实施例中，凹坑化可以在每隔一个回弯的两侧上设置，而保留相邻回弯非凹坑化，但是产生相同的总效果。还是在另一示例性实施例中，凹坑化可以在所有管子的两侧上进行，但具有降低的或较小的名义凹坑尺寸。这与仅在一侧上设置较大的凹坑具有相同的最终的效果。还是在另一实施例中，通过使用非圆形的在流程的方向上减小的横截面可以达到相同的效果。这样的一个例子可以是椭圆横截面。但是，回弯中横截面的连续减小对管子的流量或热传递特性可能具有相反的作用。也就是，与挤压整个回弯相比凹坑具有在内流体压力降方面仅添加一最小的增加量的优点。凹坑比挤压整个回弯也更易于形成同时仅具有，如果有的话，对管子的结构特性最小的影响。此外因相邻的管子在凹坑区域中叠垒，这就起到加强此区域的作用。
图12表示具有40个偏置的尺寸定得以接受40根单一的管子回路66的孔口56A的总管头56。该孔口，在此例子中，是英寸直径的每一个。如图示，该头部具有
Figure G200510052406501D00162
英寸的总高。20个孔口的第一排被19个每一个
Figure G200510052406501D00163
英寸的中心到中心的间隔，对于
Figure G200510052406501D00164
英寸的总的中心到中心的间距，等距离隔开。20个孔口的第二排也被19个每一个
Figure G200510052406501D00165
英寸的中心到中心的间隔，对于
Figure G200510052406501D00166
英寸的总的中心到中心的间距，等距隔开。孔口的第一和第二排被
Figure G200510052406501D00167
英寸的距离分开。
最终的螺旋管组件16具有个别的管路到管路的间距S，它小于管道的直径[即，英寸，D＝1.05英寸，
Figure G200510052406501D00169
这就允许在一个较小的热交换器壳中组合附加的回路因为间隔s的示例性0.15英寸的减小(从以前设想的1.02的最大密度)乘以回路的数目将最后形成一足够大的差值以允许添加一或多根附加的回路。此外，通过精确地构成凹陷区域，诸如凹坑的措施可以在＞1.02的密度下以均匀地和/或精确地间隔制造最后的螺旋管排。
本发明的增密的螺旋管组件在许多不同的热交换器环境中是有利的。该增密的螺旋管组件允许增加的热传递表面面积被组合到先前设计的相同的空间/尺寸限制中，或者反过来，允许与先前技术相同的热传递表面面积设置在较小的外壳内。在外壳的尺寸固定的情况下这就具有好处。
通过提供较多的管道增密的螺旋管组件也减少热交换器中的压力降。在许多型式的热交换器中，如图1的螺旋管/充填式，在这种型式的热交换器中压力标准可能推动设计，这可能是优点。
本发明的增密螺旋管组件还允许管道之间的更精确和可控制的间隔。例如，通过使所有的回路均匀地间隔开和凹坑化，每根回路可具有基本上相同的空气流、压力降和其它特性。这就可以进行一种改进的热交换器设计。
当将本发明增密螺旋管组件使用到螺旋管/充填式热交换器，即如图1的一种包括直接和间接蒸发式热交换装置中时将显现要达到的最佳结果。此实施例仅与螺旋管式热交换器，如图2中的，相比较可以达到改进的结果，因为管密度的增加不会使整个装置的空气流减少到与仅有螺旋管的热交换相同的程度。
对组合螺旋管/充填热交换器与增密螺旋管的应用的一个例子是一种封闭环的冷却塔，在该塔中初始的热流体，如水，通常被向上引导通过一系列回路，回路包括一个间接蒸发式热交换部分，在那里热水与逆流的、重力沉降到回路外表面上的较冷的蒸发液体进行可感知的热交换。在优选的实施例中，离开每个回路的最冷的水同等地暴露到最低的均匀温度的蒸发液体和最低的均匀温度的可能的大气流中。这就导致比现有技术实现得更均匀和必需更有效的热传递方法。因从热流体可感知地传递热，所以当它重力向下沉降通过间接蒸发式热交换部分时蒸发的液体增加温度。同时地，较冷的大气被向下引到路径中的回路，它与重力沉降的蒸发液共流。部分被蒸发液体吸收的热被传递到共流地移动的空气流，同时被吸收的热的剩余部分会造成蒸发液体温度的增加就像向下流过回路。然后该蒸发液体沉降到一直接蒸发热交换部分。该直接蒸发热交换部分使一个分立的冷大气源以便直接地通过蒸发热交换冷却现已加热的蒸发液体。空气流通过直接部分既交叉流又逆流到下行的蒸发液体。于是现已冷却的此蒸发液体被汇集到一槽中，形成一种均匀温度的冷却的液体，然后该液体再被分配到间接蒸发的部分的顶部。
当用作一个蒸发式冷凝器时，过程与说明封闭管路流体冷却装置的相同除去由于致冷剂在绝热状态下冷凝，流体1现在是一种致冷剂气体，流动一般是反向的以便促进冷凝物的排放。
因此已经特别参照其优选形式介绍了本发明，很显然对于本行业的与本发明有关的技术人员来说，在理解本发明之后，可在其中进行各种变化与修改而不偏离如此处所附权利要求限定的原则与范围。

Claims (19)

1.一种用于热交换器的螺旋管组件，包括：
至少二根蛇形管子构成的一排列，每根蛇形管子包括纵向管部分、回弯部分、入口端与出口端，所述纵向管部分具有有效直径D，所述回弯部分具有有效直径D，
所述至少二根蛇形管子叠置成一种交错的平面布置，相邻回弯至少部分地搭接；
所述至少二根蛇形管子中的至少一根设有至少一个凹陷区域，凹陷区域与和蛇形管子中的相邻一个的回弯搭接的点重合，
其中所述至少二根蛇形管子被密集地组装以便蛇形管子中的相邻蛇形管子在至少一个凹陷区域套叠以提供大于1.02的蛇形管子到蛇形管子的组装密度D/S，其中S是每根相邻蛇形管子之间的间距，而D是蛇形管子的有效直径。
2.根据权利要求1的螺旋管组件，其中凹陷区域具有蛇形管子的有效直径D的2.5-50％之间的深度。
3.根据权利要求1的螺旋管组件，其中凹陷区域具有在搭接点与相邻回弯匹配的轮廓。
4.根据权利要求3的螺旋管组件，其中轮廓是半球形的。
5.根据权利要求1的螺旋管组件，其中凹陷区域设置在蛇形管子中的至少交错的蛇形管子的至少顶侧和底侧中的至少一个上。
6.根据权利要求5的螺旋管组件，其中凹陷区域设置在蛇形管子中的交错的蛇形管子的顶侧和底侧上。
7.根据权利要求5的螺旋管组件，其中凹陷区域设置在顶侧或底侧的左和右二末端处以便在任一方向允许偏置和搭接。
8.根据权利要求1的螺旋管组件，其中凹陷区域由凹坑来形成。
9.根据权利要求1的螺旋管组件，其中所述至少两根蛇形管子包括三根或更多根蛇形管子，蛇形管子到蛇形管子的间距S在螺旋管组件的所有蛇形管子之间是一致的。
10.一种热交换器，包括：
螺旋管组件，所述螺旋管组件包括：
由至少二根蛇形管子构成的一排列，每根蛇形管子包括纵向管段、回弯部分、入口端与出口端，所述纵向管段具有有效直径D，
所述至少二根蛇形管子叠置成交错的平面布置，相邻回弯至少部分地搭接；
所述至少二根蛇形管子的至少一根设有至少一个凹陷区域，所述凹陷区域和与所述蛇形管子中的相邻的一根蛇形管子的回弯搭接的点重合，
所述热交换器还包括：
连接到所述至少二根蛇形管子的每一根的入口的入口总管；
连接到所述至少二根蛇形管子的每一根的出口的出口总管；以及
具有预定尺寸且罩住该螺旋管组件并包括气体入口和出口的管道，
其中蛇形管子构成的排列被密集地组装以致蛇形管子中的相邻蛇形管子在至少一个凹陷区域套叠以提供大于1.02的蛇形管子到蛇形管子的组装密度D/S，其中S是每根相邻蛇形管子之间的间距，D是蛇形管子的有效直径。
11.根据权利要求10的热交换器，进一步包括风扇，风扇被设置成能使气体从管道气体入口移动通过螺旋管组件并移出管道气体出口。
12.根据权利要求11的热交换器，进一步包括在螺旋管组件上面设置的液体分配系统以将液体向下分配而遍及螺旋管组件。
13.根据权利要求10的热交换器，其中热交换器是一种蒸发式热交换器。
14.根据权利要求13的热交换器，其中蒸发式热交换器是一种间接热交换器。
15.根据权利要求13的热交换器，其中蒸发式热交换器包括直接蒸发式热交换部分和间接蒸发式热交换部分。
16.根据权利要求15的热交换器，其中热交换器是螺旋管/充填式的。
17.一种用于热交换器的螺旋管组件，包括：
由至少二根蛇形管子构成的排列，每根蛇形管子包括纵向管段、回弯部分、入口端和出口端，所述纵向管段具有有效直径D，
至少二根蛇形管子构成的排列被叠置成交错的平面的布置，相邻的回弯至少部分地搭接；以及
与相邻蛇形管子的回弯的每个搭接点重合的凹陷区域，所述凹陷区域设置在搭接的回弯中的至少一个的表面上，每个凹陷区域限定一个减小直径的区域，
连接到所述至少二根蛇形管子的每一根的入口的入口总管；
连接到所述至少二根蛇形管子的每一根的出口的出口总管；以及
罩住螺旋管组件并包括气体入口和出口的具有预定尺寸的管道，
其中蛇形管子的排列被密集地组装，蛇形管子中的相邻的各根蛇形管子在凹陷区套叠并限定一致的每根相邻蛇形管子之间的蛇形管子到蛇形管子的间距S，该间距小于蛇形管子的有效直径D。
18.根据权利要求17的螺旋管组件，其中减小直径的区域具有蛇形管子的有效直径D的2.5-50％之间的深度。
19.一种热交换器，包括：
权利要求17的螺旋管组件；
连接到至少二根蛇形管子的每一根的入口的入口总管；
连接到至少二根蛇形管子的每一根的出口的出口总管；以及
罩住螺旋管组件并包括气体入口与出口的具有预定尺寸的管道。
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