CN1731066A - 蒸发器热交换管 - Google Patents

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Abstract

一种制冷和空调系统中的蒸发器用的热交换管，属于热交换技术领域。包括管体和于管体的外壁面上的顶部具翅顶凸台的外翅片以及位于相邻外翅片之间的凹槽，所述翅顶凸台的两侧相向延展有翅顶边缘，翅顶边缘与由相邻外翅片的翅顶凸台的两侧同样地相向延展而构成的翅顶边缘互相接应，接应程度为得以使凹槽的槽腔腔口闭合到具间隙的状态并且使槽腔整体上呈空穴结构；所述外翅片的近中部且沿外翅片延伸方向的翅壁上间设有用于将所述的空穴构成为复式空穴结构的横翅。优点一，能带来优异的沸腾换热系数和强化沸腾换热之效果；之二，具有节约材料、降低管体重量的效果。

Description

蒸发器热交换管
技术领域
本发明涉及一种制冷和空调系统中的蒸发器用的热交换管，更为具体地讲是一种管的外壁形成有复式空穴结构表面的蒸发器热交换管，属于热交换
技术领域。
背景技术
在制冷、空调、过程工程、石油化工以及能源与动力工程等许多领域，涉及到液体在管束外表面的沸腾与蒸发。尤其是制冷和空调系统中所用的蒸发器，其制冷剂在管外沸腾时的沸腾换热热阻与管内强制对流换热热阻相当甚至大于管内强制对流换热热阻，因此，强化管外沸腾换热对于提高蒸发器的传热性能可以起到显著效果。
关于核态沸腾机理的研究表明，液体的沸腾需要有汽化核心的存在。在给定加热表面的过热度的条件下，只有当汽化核心的半径大于气泡生长所需要的最小半径，气泡才能长大，核态沸腾才能进行。而加热表面上的凹槽和裂缝所形成的空穴最可能成为汽化核心。在沸腾过程中，当气泡长大脱离空穴之后，由于液体表面张力的作用，这些空穴所截留的部分蒸汽很难被流入的液体彻底逐出，就成为新的汽化核心，长出新的气泡，使得沸腾过程不断持续。由此可知，要强化核态沸腾换热，关键在于在加热表面形成众多的汽化核心。因此，始于20世纪70年代的强化沸腾传热表面的许多开发工作都是围绕着在加热表面形成多孔结构展开的，而且在众多的文献中可以见诸，例如中国专利95246323.7(授权公告号2257376Y)和中国专利03207498.0(授权公告号2662187Y)公开的蒸发器用热交换管，其外表面为顶部压成T形的螺旋翅片，以构成沟槽结构；中国专利95118177.7(授权公告号1090750C)和中国专利02263461.4(授权公告号2557913Y)公开的热交换管，其外表面设有具有沿圆周方向均布着斜齿的螺旋翅片，通过对翅片施压使翅片齿顶向两侧延展而构成空穴结构；中国专利申请公开说明书CN1366170A(申请号02101870.7)公开的热交换管，其外表面采用机械加工方法形成翅片，在翅片之间的初级沟槽的槽底形成次级沟槽；中国专利CN1100517A(申请号94116309.1)公开的热交换管，其外表面的翅片被压向一边倾倒，通过在翅片肩部再压凹槽而构成空穴结构；中国专利02264793.7(授权公告号2572324Y)公开的蒸发器用热交换管，其外表面采用机械加工方法形成具有锯齿结构的螺旋翅片，并在锯齿顶部压出斜槽，借以构成空穴结构。上述文献对热交换管的外壁表面即习惯所称的外翅片的结构的共同特点是具有开口略小的沟槽结构或空穴结构，以构造出形成汽化核心的场所，从而达到强化沸腾换热的效果。
随着对核态沸腾机理研究的深入，人们发现，当气泡形成之后，在气泡的生长过程中，泡底液体微层的蒸发起着重要的甚至是支配性的作用。低液位沸腾换热的实验表明，当液位高度低于某个临界值(该临界值小于气泡直径的2倍)之后，当前一个气泡脱离加热表面浮升后，因受到液面的抑制而不能马上远离加热表面，后一气泡在生长时便受到了前一气泡的压抑而呈半球状生长，从而能使泡底液体微层具有较大的蒸发面积，对沸腾换热系数有着明显升高的效果。实验还表明，由于泡底液体微层的厚度大约为1微米的数量级，其热阻很小，如果设法增大泡底微层液膜的面积或者延长泡底微层液膜的持续时间，就可以使沸腾换热得到强化。然而，已公开的文献中表现于蒸发器热交换管管外的外翅片的结构均不足以体现出由上述实验结果所表明的具有使沸腾换热系数显著提高的效果和使沸腾换热得到显著强化的效果，而且管子的重量较大，造成原材料浪费。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能使热交换管外表面与管外液体之间的沸腾换热系数得到显著提高、沸腾换热得到显著强化、且还可减轻重量的蒸发器热交换管。
本发明的目的是这样来达到的，一种蒸发器热交换管，包括管体1和延伸于管体1的外壁面上的顶部具翅顶凸台3的外翅片2以及位于相邻外翅片2之间的凹槽6，所述翅顶凸台3的两侧相向延展构成有翅顶边缘3a，翅顶边缘3a与由相邻外翅片2的翅顶凸台3的两侧同样地相向延展而构成的翅顶边缘3a互相接应，该接应的接应程度为得以使所述凹槽6的槽腔腔口闭合到具间隙的状态并且使槽腔整体上呈空穴结构；在所述的外翅片2的近中部且沿外翅片2延伸方向的翅壁上间隔地延设有用于将所述的空穴构成为复式空穴结构的横翅4。
本发明的外翅片2是以螺旋状、环形状、与管体1呈轴向状延伸中的任意一种延伸方式而延伸于管体1的外壁面上，外翅片2的翅高为0.4-1.6mm，翅距为0.4-1.5mm。
本发明所述的外翅片2的顶部的翅顶凸台3为T形状、钉状中的任意一种。
本发明在所述的外翅片2上还间设有斜槽8，斜槽8的底部位置高于所述的横翅4的根部位置，斜槽8的深度为的0.1-0.5mm，且斜槽8在沿所述外翅片2的延伸方向上每厘米长度上的槽数为10-25条，与外翅片2的延伸方向之间的夹角α为40-50°，藉由斜槽8将所述的翅顶凸台3的形状构成为钉状齿台，钉状齿台与横齿4构成交错，在钉状齿台的顶表面进而增设有齿顶斜槽11，齿顶斜槽11的深度为0.05-0.25mm，与外翅片2的延伸方向之间的夹角β为130-140°。
本发明所述的横翅4以其朝向翅顶凸台3的那一侧表面为平面且与管体1的表面构成平行的方式而延设于外翅片2的中部。
本发明所述的横翅4以其朝向翅顶凸台3的那一侧表面与外翅片2相交构成锐角并且向着背离外翅片2的延伸方向构成弯曲的方式而延设于外翅片2的中部。
本发明所述的横翅4的设置数量为以外翅片2延伸方向每厘米长度的外翅片2上设10-25个，各横翅4的翅顶中心至凹槽6的底部的距离与外翅片2的翅高比为0.2-0.75，横翅4的宽度为≥0.2mm，并且与其沿外翅片2的延伸方向的翅距之比≤0.8。
本发明所述的管体1的内壁设有内翅片7，该内翅片7是呈螺旋状设置的，高度为0.3-0.5mm，并且与管体1的中心线形成的角度γ为40-50°。
本发明所述的横翅4延设在外翅片2的一侧，沿所述外翅片2的延伸方向等距分布，其齿梢5的伸展程度为伸展到与相对应一侧的外翅片2的翅壁相接触和与相对应一侧的外翅片2的翅壁之间构成有窄隙9的任意一种伸展程度。
本发明所述的横翅4配成对地延设在外翅片2的两侧，沿所述外翅片2的延伸方向等距分布，彼此的齿梢5的对应程度为对应到两者之间构成交错、两者之间构成相接触、两者之间构成有间隙10的任意一种程度。
本发明与已有技术相比的优点之一，通过将翅顶凸台3的两侧相向延展将凹槽6构成空穴结构，再辅以外翅片2的腰部沿着外翅片2延伸的方向上所设的横翅4，从而将先前的空穴进而形成为复式空穴结构。在沸腾传热过程中，在凹槽6的底部生成的气泡在生长过程中受到横翅4以及横翅4上方的气泡的压抑而沿外翅片2的延伸方向向两边扩张，从而使凹槽6的底部泡底液体微层的面积得到扩大。随着气泡的继续长大，气泡将突破横翅4的压抑，与横翅4上部的气泡聚合，并从翅顶凸台3之间的间隙中逸出，脱离热交换管。当气泡逸出后，过冷液体将冲入凹槽6，这时，横翅4又起着阻挡液体对残留气体的冲击的作用，使空穴结构保持有足够多的汽化核心，使强化沸腾换热得以持续进行。显见能带来优异的沸腾换热系数和强化沸腾换热之效果；之二，因横齿4是在外翅片2的近中部延展而成的，故无须通过提高外翅片2的高度来获得换热面积，具有节约材料、降低管体1重量的效果。
附图说明
图1为本发明的一实施例结构示意图。
图2为本发明的另一实施例结构示意图。
图3为本发明的还一个实施例结构示意图。
图4为本发明的横翅4的一实施例结构示意图。
图5为本发明的横翅4的另一实施例结构示意图。
图6为本发明的横翅4的还一实施例结构示意图。
图7为本发明的实施例所得到的蒸发器热交换管的整体结构图。
图8为实验测定的按本发明制作的蒸发器热交换管以及按现有技术制作的蒸发器热交换管的总传热系数随热流密度的变化关系图。
图9为实验测定的按本发明制作的蒸发器热交换管以及按现有技术制作的蒸发器热交换管的管外沸腾换热系数随热流密度的变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的叙述。以助于理解本发明，但并不构成对本发明的限制。
本发明所述的外翅片2可以按螺旋线形式围绕管体1延伸；也可以按环形围绕管体1延伸，在管体1的外表面形成多个环形外翅片；还可以沿管体1轴向延伸，在管体1的外表面形成多个直翅片。其中，由于具有螺旋形外翅片的管型最适合采用在现有技术上增加用来切削横翅4的刀具来进行制造，因而这种管型是优选的。
外翅片2及其所构成的凹槽6是在管体1外表面形成空穴结构的基础，外翅片2的翅高和翅距有一个合适的范围。过小的取值可以大大增加汽化核心的数目，但进一步加工后所形成的汽化核心的半径变小，产生沸腾所需的过热度增加，不利于核态沸腾换热；而过大的取值虽然可以使汽化核心的半径变大，但汽化核心的数目减少，同样会使传热性能下降，并且由于过冷液体的冲入，有可能使空穴不能截留残余气体而失去汽化核心的作用。鉴此，本发明对翅高和翅距取值范围取翅高为0.4～1.6mm，翅距为0.4～1.5mm。
请参照图1至图4，在加工出所述外翅片2之后，可采用不同的刀具在外翅片2的近中部，更确切地讲是在外翅片2的腰部加工出不同形状的横翅4。横翅4朝向外翅顶凸台3的那一侧表面为平面，且与管体1的表面平行。图4中所示的横翅4为采用尖锐的刀具切削而成，并使横翅4朝向外翅顶凸台3的那一侧表面与外翅片2相交处形成锐角，而横翅4向着背离外翅片2的方向略有弯曲。这种横翅4在根部的锐角处更容易截留残余气体，形成附加的汽化核心。
请结合图5和图6，横翅4的排列方式视凹槽6的宽度而定。首选图1至图4中所示的相对排列方式，横翅4沿所述外翅片2的延伸方向等距分布，并且从所述凹槽6两侧的外翅片2的侧表面上相对的位置伸出，彼此组成配对，其翅梢5或相互重合或相互间留有间隙的横翅4，使所述的凹槽6的槽腔中形成复式空穴结构。这里所说的复式空穴的概念可由图1至图6的任一附图中得到理解，即变原来的由翅顶凸台3的两侧相向延展成的使凹槽6的槽腔腔口闭合到仅剩一道狭窄间隙而使整个凹槽6的槽腔形成为一个趋于或称接近于封闭的空穴的结构后再由横翅4分隔，使先前的单个空穴变为了上、下两组空穴，从而称其为复式空穴。当外翅片2的间距太小，凹槽6过于狭窄时，可以采用如图5所示的排列方式，横翅4沿所述外翅片2的延伸方向等距分布，并分别从所述凹槽6两侧的所述外翅片2上同一高度的位置上交替伸出，彼此之间构成交错，其翅梢5或者与相对的外翅片侧表面相重合，或者与相对的外翅片侧表面之间留有间隙10，两者都能使在所述的凹槽6构成为复式空穴结构；如果横翅4采用如图6所示的排列方式，那么横翅4设在所述外翅片2的一侧，沿所述外翅片2的延伸方向等距分布，其翅梢5或者与相对的外翅片侧表面相重合，或者与相对的外翅片侧表面之间留有窄隙9，使所述的凹槽6形成复式空穴结构。
横翅4在沿外翅片2的延伸方向上的密度是横翅4在沿所述外翅片2的延伸方向上每厘米长度上的个数为10～25个。具体数值不仅与凹槽6的宽度有关，还取决于外翅片2的翅顶凸台3的形状。对于如图1所示的截面形状呈T形的外翅片2，横翅4的翅距与凹槽6的宽度之比的首选值为1.5～2，根据本发明制作的热交换管的实际横翅翅距与凹槽宽度之比为1.6。对于图2和图3中所示的外翅片2上的钉状齿台的结构，首选的横翅4在沿外翅片2的延伸方向上的密度为横翅4在沿所述外翅片2的延伸方向上每厘米长度上的个数与所述钉状齿台在沿所述外翅片2的延伸方向上每厘米长度上的个数相等；其位置从垂直于所述管体1的外表面的方向看去，所述横翅4与所述钉状齿台形成交替布置。
横翅4的存在将凹槽6分成了上、下两部分，凹槽6的上半部分靠近翅顶凸台3，下半部分靠近外翅片2的根部。考虑到在凹槽6的上半部分的外翅片表面的过热度略低于凹槽6的下半部分，因此在凹槽6的上半部分的空穴的半径应略大些，此外，为便于凹槽6上、下两部分中的气泡聚合后同时离开热交换管，凹槽6的上半部分的高度与下半部分的高度之比的首选取值范围为1～2，从而得以使凹槽6的上半部分可容纳一个完整的气泡，而下半部分可容纳一个半球气泡。横翅4的高度位置的确定最好是取横翅4的翅顶中心至所述凹槽6的底部的距离与所述外翅片2的翅高之比为0.2～0.75。
由于横翅4的作用是压抑气泡的生长形状，而不是阻碍气泡的生长或割裂气泡，因此，横翅4朝着外翅片2根部的那一侧表面应该形成光滑的曲面，并且避免横翅4的翅梢5形成尖锐状。如果由于工艺上的限制而使翅梢5形成尖锐状，可以让相对的翅梢5相重合，或者让翅梢5与外翅片2的侧表面相重合。出于同一考虑因素，横翅4的宽度的取值是，横翅4的宽度大于或等于0.2mm，并且与所述横翅4沿所述外翅片2的延伸方向的翅距之比小于或等于0.8。过大的宽度将阻碍气泡的生长和上升，过窄的宽度将割裂气泡，而不是压扁气泡。
在加工出横翅4之后，可采用现有技术继续加工外翅片2的翅顶凸台3。方案之一是对外翅片2的翅顶凸台3垂直施压，使翅顶凸台3向两侧延展，使所述外翅片2的形状为T形(见图1)。
方案之二是在外翅片2上开出一组斜槽8，然后对外翅片2的翅顶凸台3垂直施压，所形成的外翅片2上的斜槽8底部的位置高于横翅4根部的位置；由两相邻斜槽8将翅顶凸台3的形状变为钉状齿台(见图2、图3)。斜槽8的开设不仅是为了构成钉状齿台，而且还为了和凹槽6一起构成网状的沟槽结构，有利于气泡的逸出和液体的流入，因此斜槽8的尺寸为，斜槽8的深度为0.1～0.5mm，并且所述斜槽8底部的位置不低于所述横翅4根部的位置，以避免损及或称切去横翅4，而且斜槽8在沿所述外翅片2的延伸方向上每厘米长度上的个数为10～25个，并且与所述外翅片2的延伸方向之间的夹角α为40～50°。
方案之三是在外翅片2上开出一组斜槽8，将外翅片2构成锯齿状，并在每个齿台的表面上再开出一道齿顶斜槽11，使翅顶凸台3形成钉状齿台。不难理解出钉状齿台是将齿顶材料向齿顶斜槽11两侧推移而形成的向钉状齿台的顶部垂直施压，将凹槽6的开口尺寸控制在依需的范围，由此而形成的传热表面，其斜槽8底部的位置高于横翅4根部的位置；齿顶斜槽11的深度为0.05～0.25mm，齿顶斜槽与外翅片2的延伸方向之间的夹角β为130～140°。
还可以采用其他方案将外翅片2的翅顶凸台3的材料向侧面方向部分延展或偏移，以使凹槽6的槽腔形成其他形式的空穴结构。鉴此，不能也不应当因其它形式的空穴结构的出现而认为这些空穴结构有脱本发明所公开的技术方案之范围。
在强化管外沸腾换热的同时，有必要强化管内的强迫对流换热。这是因为由于管外是相变换热，当管内为单相流体强迫对流换热时，管内侧的热阻通常大于管外侧热阻或和管外热阻相当，只有当管内侧也应采取强化传热的措施，提高了管内的强迫对流换热系数，才能有效增加传热效果。因此如果在管体1内设置内翅片7，那么能使本发明在前面提及的沸腾换热系统和强化沸腾换热的效果得到更为极致的提高，因为内翅片7十分有助于提高管体1内的对流换热系数。内翅片7在图1至图3中揭示，其是三角形内翅片；而在图7中所示的是梯形内翅片，还可以有其他截面形状的内翅片，因此内翅片7的具体形状不受本发明所公开的具体形状所限制。但是，内翅片7的共同特征表现为螺旋状，并且与所述管体1的中心线形成的螺旋角的角度γ最好为40～50°，内翅片7的高度优选地为0.3～0.5mm。
请结合图8和图9，对根据本发明制作的热交换管的沸腾传热性能进行了测试。该管体1的外翅片2为螺旋翅片，管体1的外径(至翅顶凸台3的外径)为18.89mm，外翅片2的翅高为0.62mm，翅距为0.522mm；斜槽8的深度为0.18mm，与外翅片2的延伸方向之间的夹角α为45°，沿圆周方向每厘米长度上的个数为17；齿顶斜槽11的深度为0.08mm，与外翅片2的延伸方向之间的夹角β为135°；横翅4的宽度为0.4mm，深度为0.32mm，沿圆周方向每厘米长度上的个数为19；内翅片7为梯形翅片，翅高为0.36mm，翅距为1.14mm，与管体1的中心线形成的螺旋角的角度γ为45°。作为对比的热交换管没有横翅4。图8所示的实验结果给出了按本发明制作的热交换管以及按现有技术制作的热交换管的总传热系数之间的比较，实验条件为：制冷剂R22、饱和温度14.4℃、管体1内水流速1.6m/s，图中横坐标为热流密度(kW/m2)，纵坐标为总传热系数(kW/m2K)，图中的实心圆表示根据本发明所得到的热交换管，而实心方框表示现有技术中的热交换管。图9所示的实验结果给出了按本发明制作的热交换管以及按现有技术制作的热交换管的管外沸腾换热系数之间的比较，实验条件及图中的实心圆、实心方框所代表的含义同对图8的解释，图中横坐标为热流密度(kW/m2)，纵坐标为管外沸腾换热系数(kW/m2K)。从中可以看到，按本发明制作的热交换管由于增设了横翅4，其传热性能与现有技术相比有了极致的提高。

Claims (10)

1、一种蒸发器热交换管，包括管体(1)和延伸于管体(1)的外壁面上的顶部具翅顶凸台(3)的外翅片(2)以及位于相邻外翅片(2)之间的凹槽(6)，其特征在于所述翅顶凸台(3)的两侧相向延展构成有翅顶边缘(3a)，翅顶边缘(3a)与由相邻外翅片(2)的翅顶凸台(3)的两侧同样地相向延展而构成的翅顶边缘(3a)互相接应，该接应的接应程度为得以使所述凹槽(6)的槽腔腔口闭合到具间隙的状态并且使槽腔整体上呈空穴结构；在所述的外翅片(2)的近中部且沿外翅片(2)延伸方向的翅壁上间隔地延设有用于将所述的空穴构成为复式空穴结构的横翅(4)。
2、根据权利要求1所述的蒸发器热交换管，其特征在于所述外翅片(2)是以螺旋状、环形状、与管体(1)呈轴向状延伸中的任意一种延伸方式而延伸于管体(1)的外壁面上，外翅片(2)的翅高为0.4-1.6mm，翅距为0.4-1.5mm。
3、根据权利要求1或2所述的蒸发器热交换管，其特征在于所述的外翅片(2)的顶部的翅顶凸台(3)为T形状、钉状中的任意一种。
4、根据权利要求1或2所述的蒸发器热交换管，其特征在于在所述的外翅片(2)上还间设有斜槽(8)，斜槽(8)的底部位置高于所述的横翅4的根部位置，斜槽(8)的深度为的0.1-0.5mm，且斜槽(8)在沿所述外翅片(2)的延伸方向上每厘米长度上的槽数为10-25条，与外翅片(2)的延伸方向之间的夹角α为40-50°，藉由斜槽(8)将所述的翅顶凸台(3)的形状构成为钉状齿台，钉状齿台与横齿(4)构成交错，在钉状齿台的顶表面进而增设有齿顶斜槽(11)，齿顶斜槽(11)的深度为0.05-0.25mm，与外翅片(2)的延伸方向之间的夹角β为130-140°。
5、根据权利要求1所述的蒸发器热交换管，其特征在于所述的横翅(4)以其朝向翅顶凸台(3)的那一侧表面为平面且与管体(1)的表面构成平行的方式而延设于外翅片(2)的中部。
6、根据权利要求1所述的蒸发器热交换管，其特征在于所述的横翅(4)以其朝向翅顶凸台(3)的那一侧表面与外翅片(2)相交构成锐角并且向着背离外翅片(2)的延伸方向构成弯曲的方式而延设于外翅片(2)的中部。
7、根据权利要求1或5或6所述的蒸发器热交换管，其特征在于所述的横翅(4)的设置数量为以外翅片(2)延伸方向每厘米长度的外翅片(2)上设10-25个，各横翅(4)的翅顶中心至凹槽(6)的底部的距离与外翅片(2)的翅高比为0.2-0.75，横翅(4)的宽度为≥0.2mm，并且与其沿外翅片(2)的延伸方向的翅距之比≤0.8。
8、根据权利要求1所述的蒸发器热交换管，其特征在于所述的管体(1)的内壁设有内翅片(7)，该内翅片(7)是呈螺旋状设置的，高度为0.3-0.5mm，并且与管体(1)的中心线形成的角度γ为40-50°。
9、根据权利要求7所述的蒸发器热交换管，其特征在于所述的横翅(4)延设在外翅片(2)的一侧，沿所述外翅片(2)的延伸方向等距分布，其齿梢(5)的伸展程度为伸展到与相对应一侧的外翅片(2)的翅壁相接触和与相对应一侧的外翅片(2)的翅壁之间构成有窄隙(9)的任意一种伸展程度。
10、根据权利要求7所述的蒸发器热交换管，其特征在于所述的横翅(4)配成对地延设在外翅片(2)的两侧，沿所述外翅片(2)的延伸方向等距分布，彼此的齿梢(5)的对应程度为对应到两者之间构成交错、两者之间构成相接触、两者之间构成有间隙(10)的任意一种程度。
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