CN1740729A - 一种热水器换热管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热水器换热管，属于热水器技术领域，该换热管用于在管内外进行热交换，在处于管内流体的雷诺数(Re)低于7000区域的至少一部分的管段内壁表面或在处于流体进口处附近的管段内壁表面，设有多个突起部，该突起部的高度(H1)为0.8mm～2.0mm；或该突起部的高度(H1)与内径(D)的比为0.1～0.25。本发明的特点为：利用简单的结构，可在低雷诺数区域，既可提高传热性能，又可确保管内的压力损失较小。

Description

一种热水器换热管
技术领域
本发明属于热水器技术领域，并特别涉及处于在管内流动的流体的雷诺数(Re)低于7000区域的热水器换热管的结构设计。
背景技术
在空调、热水器等热交换装置中，通常设有换热管，其特征为水等流体在换热管管内流动的同时利用管内外的温差进行热交换。为提高换热管的传热性能，人们利用在换热管内壁表面设有沟槽的带槽管。此外，还有一种通过在换热管内壁表面设置突起部来提高传热性能的技术。
在换热管内壁表面设置突起部，由于换热管的传热面积会增大，同时对流体也产生扰动作用，从而导致传热面上的传热系数增大，使传热性能提高。但是，同样由于在换热管内壁表面设置突起部，管摩擦系数会增大，管内流动的压力损失也会增大。为此，以下专利文献公开一种技术：即通过在热水器换热管内壁表面设置高度为0.45mm～0.6mm的突起部，来促进与制冷剂的热传递，同时抑制压力损失的扩大(日本特公平6-70556)。
但是，当换热管内流体的流量很低，管内流体的流动状态处于由层流区向紊流区转化过渡区时，即使设置上述专利文献所公开的高度为0.45mm～0.6mm的突起部，强化传热的效果也是甚微。
例如，如图1所示的热泵式热水器，为了有效地利用收费低廉的夜间供电，要花长时间将水从约10℃加热至约90℃。在此，为确保产品的小型化和高效率，需要将流经热水器换热管内的水流量设定为非常小的数值(比如：0.8L/min)。对于管内水流量较小的热水器换热管，一般采用通过缩小热水器换热管的内径，提高管内的流体速度，从而提高传热性能。但是，即便如此，由于管内的水流量小，管内水流的流动状态为：在水流入口附近为由层流区向紊流区转化过渡区域(Re＝1500～3000)；即使是在流出口附近，也仅达到紊流初期的程度(Re＝7000)。同时，在水流入口附近为低温区域，由于传热系数低，无法实现有效的热交换。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种热水器换热管，具有结构简单、在低雷诺数区域内，既能提高传热性能，又确保管内的压力损失较小的特点。
本发明提出的第1种热水器换热管，是一种在管内外进行热交换的热水器换热管，在处于管内流体的雷诺数(Re)低于7000区域的至少一部分的热水器换热管内壁表面上，设有多个突起高度H1为0.8mm～2.0mm的突起部。
在层流区以及由层流区向紊流区过渡的低雷诺数区域，如果在管内所设突起部的高度依然如已有技术所述那么低，将无法获得强化传热的效果。
于是，在层流区以及由层流区向紊流区过渡的低雷诺数区域、即在处于雷诺数Re低于7000区域的管段内壁表面，设置多个向管内突起且高度为0.8mm～2.0mm的突起部。其结果，由于管内所设的突起部，既提高了传热系数，又减小了突起部对管内压力损失所造成的影响，从而使热水器换热管的整体性能得到提高。
本发明提出的第2种热水器换热管，是一种在管内外进行热交换的热水器换热管，在处于管内流体的雷诺数Re低于7000区域的至少一部分的管段内壁表面上，设有多个突起高度H1与内径D的比为0.1～0.25的突起部。
当管内设有突起部时，管摩擦系数为雷诺数Re和相对粗糙度的函数，在此，为表现出管内突起部对管摩擦系数的影响，使用了在管内所设突起部的高度与管内径之比值(即相对粗糙度)。在由层流区向紊流区过渡的低雷诺数区域，通过将管内壁面的相对粗糙度控制在规定范围内，就可实现提高传热效果、又将由压力损失所带来的影响抑制在最小限度的效果。为此，在层流区以及由层流区向紊流区过渡的低雷诺数区域、即在处于雷诺数(Re)低于7000区域的管段内壁表面，设置多个突起高度H1与管内径D的比为0.1～0.25的突起部。其结果，由于管内所设的突起部，既提高了传热系数，又减小了突起部对管内压力损失所造成的影响，从而使热水器换热管的整体性能得到提高。
本发明提出的第3种热水器换热管，是一种用于热水器的热交换器上，并在管内外进行热交换的热水器换热管；在管内流动的流体为水，并且在处于流体进口处附近的管段内壁表面，设有多个突起高度H1为0.8mm～2.0mm的突起部。
当热水器换热管用于热水器的热交换器时，热水器换热管进口处附近的水流的流动状态属于层流区以及/或者由层流区向紊流区过渡转化的区域。同时、因热水器换热管水流进口附近的水温较低、传热系数也低。在本发明中，至少在处于水进口处附近的管段内壁表面，设置多个突起高度H1为0.8mm～2.0mm的突起部，以期获得通过在管内设置突起部而提高传热系数的效果。其结果，由于管内所设的突起部，既提高了传热系数，又减小了突起部对管内压力损失所造成的影向，从而使热水器换热管的整体性能得到提高。
本发明提出的第4种热水器换热管，是一种用于热水器的热交换器上，并在管内外进行热交换的热水器换热管。在管内流动的流体为水，并且在处于流体进口处附近的管段内壁表面，设有多个突起高度H 1与内径D的比为0.1～0.25的突起部。
在热水器的热交换器中，热水器换热管进口处附近的水流的流动状态属于层流区以及/或者由层流区向紊流区过渡转化的区域，同时热水器换热管进口附近的水温较低、传热系数也低。由此，在热水器的热交换器中，至少在处于水进口处附近的管段内壁表面，设置多个突起高度H1与内径D的比为0.1～0.25的突起部。其结果，由于管内所设的突起部，既提高了传热系数，又减小了突起部对管内压力损失所造成的影响，从而使热水器换热管的整体性能得到提高。
本发明中提出的第5种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，在管内流动的流体的流速可为0.1m/s～0.6m/s。若热水器换热管管内流动的流体的流速为0.2m/s～0.4m/s范围内效果更佳。在管内流动的流体的流速低于0.1m/s时，换热管的传热性能非常低；而在管内流动的流体的流速高于0.6m/s时，导致管内摩擦系数增加，管内的压力损失增大。由此，在本发明的热水器的热交换器中，在管内流动的流体的流速采用0.1m/s～0.6m/s。其结果，由于管内所设的突起部，既提高了传热系数，又减小了突起部对管内压力损失所造成的影响，从而使热水器换热管的整体性能得到提高。
本发明提出的第6种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，在突起部任意高度的横截面形状可为：由圆形，椭圆形或近似圆形等平滑曲线所组成。
作为管内突起部对管内流体压力损失的影响要素，除了管内流体的雷诺数、速度、突起部的高度以外，还应包括突起部的形状。当突起部形状为锐角状时，绕过锐角的水流会产生漩涡，从而使流体的压力损失变大。
因此，突起部采用以下形状：即在突起部任意高度的横截面形状由圆形，椭圆形或近似圆形等平滑曲线所组成。换而言之，由于突起部外侧周边表面由平滑的曲线组成，与突起部形状为锐角时相比，可减少脱离漩涡的产生，从而抑制由于管内流体的压力损失所造成的影响，提高热水器换热管的整体性能。
本发明提出的第7种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，在处于流体出口处附近区域的管段内壁可为平滑表面。
在热水器换热管的流体出口处，因为流体的温度较高，假如流体为水时，管段内壁表面有可能附着水垢。如果在此区域设置突起部，可能会导致因为突起部的存在反而加剧水垢附着的后果。因此，在处于流体温度较高的流体出口附近的区域，可通过使用不带突起部的管子、比如平滑光管，来抑制水垢的产生。
本发明提出的第8种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，其管段内壁表面可为带浅槽的表面，所述槽的深度低于所述突起部的高度H1。
在低雷诺数区域，管段内壁表面所设突起部中、大突起部比起小突起部更有助于传热系数的提高，因此，通过在管段内壁设置高度高于带槽管的沟槽深度的突起部，以期提高传热效果；另一方面，在高雷诺数区域，低于突起部高度的沟槽更有助于传热系数的提高，因此，在高雷诺数区域，通过使用管段内壁表面沟槽低于突起部高度的带槽管，可进一步提高热水器换热管的传热性能。
本发明提出的第9种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，多个突起部可沿与管轴线平行的方向设置。通过沿管轴方向设置突起部，可以连续发生强化传热效果。同时，由于流体顺管轴方向直线流动，可减小压力损失的增加，提高热水器换热管整体性能。
本发明提出的第10种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，多个突起部可沿螺旋方向设置。通过将突起部沿螺旋方向设置，使管内流体的流动产生回旋，延长流体在管内的通过长度，从而进一步提高传热性能。
本发明提出的第11种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，多个突起部可设置在沿管道直径方向成对的位置上。通过将突起部设置在沿管道直径方向成对的位置上，可减少突起部附近的横截面面积，促进流体的混合，从而进一步提高传热性能。
本发明提出的第12种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，多个突起部间的间隔P与热水器换热管内径D的比可为0.5～10。
当突起部间的间隔P与热水器换热管内径D的比为0.5以下时，虽然可获得强化传热效果，但在流体上游一侧，由于突起部的影响，压力损失会扩大；而当突起部间的间隔P与热水器换热管内径D的比为10以上时，强化传热效果又会减小。在此，通过将突起部间的间隔P与热水器换热管内径D的比设定为0.5～10，便可既保持强化传热效果，又减少压力损失的增加，从而提高热水器换热管的整体性能。
本发明提出的第13种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，在所述多个突起部之间，还可设有突起高度H 2小于0.8mm的小突起部。
在低雷诺数区域，大突起部比小突起部更有助于传热系数的提高；反之，在高雷诺数区域，小突起部比大突起部，更有助于提高传热系数。在此，通过在大的突起部之间，设置小的突起部(小突起部)，以期获得一种相辅相成的效果，即：在雷诺数低的区域，通过大突起部提高传热性能，在雷诺数高的区域，则通过小突起部提高传热性能，并由此提高热交换器的整体性能。
本发明提出的第14种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，在管段内壁表面上，处于设有突起部的两段内壁之间的一段管内壁可为平滑面。
在没有突起部的平面部位，热水器换热管内的横截面面积为最大，即在设有突起部和没设突起部之间的管段内壁表面形状的变化最大，传热性能得以提高。另一方面，如果热水器换热管内壁表面不存在平面部分，其效果就会变得如同热水器换热管内径被缩小一样，由于流体的加快，可获得强化传热效果，但管内的压力损失会变增大。
本发明提出的第15种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，所述突起部可通过从管外部施加外力而形成，且在直线部管段内壁设有所述突起部，在曲线部管段内壁可为平滑面。
当采用从外部施加外力的方式在热水器换热管内壁表面形成突起部时，通常为管段外壁面呈现凹陷，而在相对应的管段内壁表面会形成向管内突起的突起部。此外，一般来说，热水器换热管包括有直线部分和曲线部分。而在曲线部分管段，除存在直线部分也存在的管内压力损失外，还存在由于管段弯曲而出现的附加性的压力损失。如果在管段曲线部分的内壁表面再设置突起部，曲线部分所具有的压力损失还可能进一步增大；同时，在进行弯曲作业的过程中，在热水器换热管外壁面的凹陷部位有可能会发生巨大变形和破损。因此，在直线部管段设置了突起部，而在曲线部管段没有设置突起部。
本发明提出的第16种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，所述突起部可通过从管外部施加外力而形成，在曲线部的管段上，与弯曲面相交叉的管段内壁可为平滑面。在热水器换热管的曲线部，与弯曲面相交叉部分的变形量为最大，因此，对于热水器换热管的曲线部，在与弯曲面相交叉的管段区域没有设置突起部。例如，当热水器换热管按水平面被弯曲时，在与曲线部的水平面相交叉的管段区域，就不设置突起部。
本发明提出的第17种热水器换热管为，在所述第1种至第4种发明中的任意一种热水器换热管中，所述热水器换热管外部可设有第二换热管，在所述第二换热管内流动向所述流体提供热量的第二流体；所述热水器换热管的外壁面与所述第二换热管相接触；所述管内壁面上的突起部可通过挤压外壁面而形成，且所述热水器换热管与第二换热管接触位置的内管壁可为平滑面。
在此，由于所述管内壁面上的突起部是通过挤压外壁面而形成，在与内壁面形成突起部的部位相对应的外壁面上会形成凹陷。如果在与第二换热管接触部位形成突起部，换而言之，在所述热水器换热管的外壁面形成凹陷时，所述热水器换热管与第二换热管的接触不好，从第二换热管给所述热水器换热管的传热效果会降低。因此，通过在与第二换热管接触的管段区域不设置突起部，可防止降低由第二换热管所带来的传热效果。
附图说明
图1为本发明应用于热泵式热水器的实施例示意图。
图2为图1中的水热交换器的示意图。
图3为图2中的热水器换热管的示意图。
图4为图3中的热水器换热管管内流动雷诺数值的坐标图。
图5为用于进行传热性能实验的本发明的热水器换热管的一种结构示意图，其中，
(a)为热水器换热管的剖面侧视图。
(b)为图5(a)的A-A剖视图。
(c)为图5(b)的B-B剖视图。
图6为采用图5结构的热水器换热管的实验1结果的坐标图。
图7为采用图5结构的热水器换热管的实验2结果的坐标图。
图8为采用本发明的热水器换热管的实验3结果的坐标图。
图9为用于进行传热性能对比实验的另一种热水器换热管的结构示意图。
图10为采用图5和图9结构的热水器换热管的对比实验4结果的坐标图
图11为本发明的热水器换热管实施例1结构平面图。
图12为本发明的热水器换热管实施例2结构图，其中，
(a)为实施例2的热水器换热管平面图。
(b)为实施例2的热水器换热管侧视图。
(c)为实施例2的另一根热水器换热管侧视图。
图13为本发明的热水器换热管实施例3的热水器换热管平面图。
图14为本发明的热水器换热管实施例4的热水器换热管结构图，其中，
(a)为实施例4的热水器换热管平面图。
(b)为实施例4的热水器换热管侧视图。
图15为本发明的热水器换热管实施例5的热水器换热管平面图。
图16为本发明的热水器换热管实施例6的热水器换热管平面图。
图17为本发明的热水器换热管实施例7的热水器换热管平面图。
图18为本发明的热水器换热管实施例8的热水器换热管平面图。
图19为本发明的热水器换热管实施例9结构图，其中，
(a)为实施例9的热水器换热管平面图。
(b)为实施例9的热水器换热管侧视图。
图20为实施例10的热水器换热管平面图。
图21为本发明的热水器换热管实施例11结构图，其中，
(a)为实施例11的热水器换热管平面图。
(b)为图21(a)的D-D剖视图。
具体实施方式
本发明提出的一种热水器换热管结合附图及实施例详细说明如下：
一种采用本发明的换热管的热泵式热水器的实施例整体结构如图1所示。图中，热泵式热水器具有供热部分1和热泵部分2两组设备。供热部分1由以下设备依次按顺序连接构成：自来水管11、蓄热水罐12、循环水泵13、供水管3、构成水热交换器30的热水器换热管31、温水管16、混合阀17、供热管18。在此，自来水由供水管11供应到蓄热水罐12；通过循环水泵13将温度较低的水从蓄热水罐12的底部，提供给水热交换器30的热水器换热管31进行加热；被加热后的温水流入蓄热水罐的上部；由蓄热水罐12的上部经过温水管16排出的高温温水，再通过混合阀17，与混合水管19的冷水进行混合；通过这个混合阀17，调节供热水的温度，再经过供热管18提供给用户。热泵部分2拥有制冷剂循环回路，该制冷剂循环回路通过制冷剂管32，依次按顺序连接以下设备构成：压缩机21、水热交换器30、膨胀阀23、空气热交换器24。制冷剂经过压缩机21高压压缩后，被送至水热交换器30；在水热交换器中完成热交换的制冷剂，通过膨胀阀23，提供给空气热交换器24；制冷剂在吸收周围的热量后，被还流至压缩机21。
上述热泵式热水器中水热交换器30的结构如图2所示，水热交换器30由热水器换热管31和制冷剂管32构成。热水器换热管31的形状为在同一平面上盘旋成长圆状，并形成水通道W；制冷剂管32按螺旋状缠绕在热水器换热管31的外周，形成冷却通道R。在此，将盘旋状热水器换热管31的外周一例设定为水流入口311，将热水器换热管31的中心一侧设定为水流出口312。在水热交换器30中，制冷剂管32中的制冷剂在制冷剂流入口322从A22方向流入并放热；其后，在制冷剂流出口321从A21方向流出。在水流入口311处从A11方向供给的自来水，通过该热量进行加热，成为温水后在水流出口322处流向A12。
其次，对热水器换热管31的主要参数进行说明。如图3所示，在热水器换热管31的管段内壁表面设有多个高度为H1的突起部313，并在管轴方向按20mm的间隔(参见图3的P)上下对称设置。在图3中，从纸面方向看，只表示出设置在上方的突起部313。在本实施例中，热水器换热管31水流入口311处的水温设定为10℃、水流出口312处的水温设定为90℃。同时，热水器换热管内的水流量为0.8L/min。在此，热水器换热管的外径为8mm～14mm(内径为6mm～12mm)范围内效果更佳。
热水器换热管31的管内流动的雷诺数Re如图4所示，热水器换热管31水流入口处311的雷诺数Re约为2000，管内流动为层流区。随着水的流动，从流入口311流入的水与图2中的制冷剂管32进行热交换，热水器换热管31内的水温会升高。由于水温上升，水的粘性系数变小，雷诺数Re逐渐增大。在图4中，水流出口312处的雷诺数Re约为7000，管内流动处于从层流向紊流过渡转移区域。在此，为验证热水器换热管31管段内壁表面所设多个突起部313在不同情况下对传热性能的提高以及压力损失所造成的影响，特进行以下实验：
(1)实验1：
图5(a)为热水器换热管31的剖面侧视图。在实验1中，在管内径D为8mm的管段内壁表面，按管轴方向间隔为20mm，上下对称设置高度H1为1.0mm的突起部。图5(b)为图5(a)的A—A剖视图，图5(c)是图5(b)的B-B剖视图。从图5(a)和图5(b)中可知，管段内壁表面的突起部313是通过从外部挤压热水器换热管的外壁面而形成的；而从图5(c)可知，突起部313的横断面图的形状为椭圆形。此外，热水器换热管31的内壁表面还存在未设突起部的平面部31a。
图6(a)表示的是以下两种情况下的传热性能：即在管内为层流区以及从层流区向紊流区过渡的低雷诺数区域的各雷诺数Re的条件下，采用未设突起部的平滑光管和采用按管轴方向间隔为20mm、上下对称设置有高度H1为1mm的突起部313的热水器换热管时的情况。在此，X轴表示的是雷诺数Re的数值，Y轴表示的是设有突起部313热水器换热管31的努塞尔数Nu和未设突起部平滑光管的努塞尔数Nuo之比(Nu/Nuo)。在此，努塞尔数作为体现热量从固体壁面向流体传递性能指标对传热系数数值进行了无量纲化，其数值越大，表示由固体壁面向流体的热量传递越容易。因此，Nu/Nuo的比值越大，由突起部而带来的热水器换热管强化传热效果越大。从图6(a)可知，当雷诺数Re为4000以下时，通过设置高度H1为1mm突起部313而获得的强化传热的效果比较明显；而当雷诺数Re为4000以上时，通过在管段内壁表面设置突起部313所获得的强化传热的效果则比较缓慢。
图6(b)表示的是以下两种情况下的管内压力损失情况：即在管内为层流区以及发生从层流区向紊流区过渡转化的低雷诺数区域的各雷诺数Re的条件下，采用未设突起部的平滑光管和采用按管轴方向间隔为20mm、上下对称设置有高度H1为1mm的突起部313的热水器换热管时的管内压力损失随雷诺数Re的变化情况。在此，X轴表示的是雷诺数Re的数值，Y轴表示的是设有突起部313热水器换热管31的范宁摩擦系数f和未设突起部平滑热水器换热管的范宁摩擦系数fo之比(f/fo)。在此，范宁摩擦系数为表示管内压力损失的无量纲量，其数值越大，管内的压力损失也越大。因此，f/fo的比值越大，管内的水压损失也会变得越大。从图6(b)可知，当雷诺数Re为2000时，即管内为层流区时，设有突起部313的热水器换热管31的管内压力损失，与未设突起部的平滑光管内的压力损失相同。另一方面，随着雷诺数Re增大、管内由层流区向紊流区过渡，由设置在管段内壁表面的突起部313而带来的管内压力损失也会增大，当雷诺数Re达到4000以上时，管内压力损失才基本保持稳定。
(2)实验2
在实验2中，为确认突起部313的设定高度H1对传热性能及管内的压力损失所造成的影响，在调整管段内壁表面突起部313的高度H1的条件下实施了实验。图7(a)表示的是：在管内径为8mm的热水器换热管内，按管轴方向间隔为20mm，上下对称设置高度H1不同的突起部时的传热性能。在此，X轴表示的是突起部313高度H1的数值，Y轴表示的是设有突起部313热水器换热管31的努塞尔数Nu和未设突起部平滑光管的努塞尔数Nuo之比(Nu/Nuo)。实线和虚线分别表示的是：雷诺数Re为4000和2000状态下的实验结果。从图7(a)可知，当雷诺数Re为4000和2000时，均显示为突起部313高度H1越高，传热性能的提高也越显著。同时，从图7(a)的虚线结果可知，当雷诺数Re为2000的状态下，突起部313的高度H1在0.5mm以下时，基本看不出由突起部313所引起的传热强化效果；只有当突起部313的高度H1变为0.8mm以上时，才显现出传热性能提高的效果。
图7(b)表示的是：在管内径为8mm的热水器换热管内，按管轴方向间隔为20mm，上下对称设置高度H1不同的突起部时的热水器换热管整体性能，也就是说，它表示的是对传热性能提高和抑制压力损失进行综合考虑后的性能。在此，X轴表示的是突起部高度H1的数值；Y轴表示的是下列两种比值相除后的数值，即：用设有突起部热水器换热管的范宁摩擦系数f和未设有突起部的平滑光管的范宁摩擦系数fo之比值(f/fo)，除以设有突起部热水器换热管的努塞尔数Nu和未设有突起部平滑光管的努塞尔数Nuo之比值(Nu/Nuo)后的数值。如上所述，Nu/Nuo的比值越大，传热性能提高程度越高；f/fo的比值越大，则管内的水压损失越大。因此，以f/fo比值除以Nu/Nuo比值后的数值越大，可以获得既可提高传热性能，同时还可抑制由突起部所造成的对管内压力损失的影响，从而使得热水器换热管整体性能得到提高。
在图7(b)中，实线和虚线分别表示的是，雷诺数Re为4000和2000状态下的实验结果。从图7(a)可知，当雷诺数Re为2000和4000状况下，设置在热水器换热管内壁表面的突起部高度为0.8mm时，以f/fo比值除以Nu/Nuo比值后的得到的数值为最大，当突起部高度超过2.0mm时，其数值明显变小。也就是说，在低雷诺数区域，当突起部的高度在0.8mm～2.0mm的范围内时，可使得热水器换热管整体性能得以提高。在此将突起部高度设定在0.9mm～1.2mm的范围内为宜。
(3)实验3
在实验3中，没有直接将突起部313的高度H1作为指标，而是将相对粗糙度(H1/D)作为指标。为了确认相对粗糙度(H1/D)对传热性能和管内压力损失所造成的影响，在调整相对粗度(H1/D)的条件下实施了实验。图8(a)表示的是：当雷诺数Re为2000和4000状态时，采用未设突起部的平滑光管的情况下、以及相对粗糙度(H1/D)有所变化的情况下的传热性能的结果。在此，X轴表示的是相对粗糙度(H1/D)的数值，Y轴表示的是设有突起部313热水器换热管31的努塞尔数Nu和未设突起部平滑热水器换热管努塞尔数Nuo之比值(Nu/Nuo)。从图8(a)可知，突起部的相对粗糙度(H1/D)越大，传热性能提高得越显著。此外，从图8(a)的虚线结果可知，在雷诺数2000的状态下，当相对粗糙度(H1/D)数值为0.1以下时，由突起部所带来的强化传热的效果甚微。
图8(b)表示的是：采用未设有突起部的平滑光管的情况下、以及突起部的相对粗糙度(H1/D)有所变化的情况下的热水器换热管整体性能。在此，X轴表示的是相对粗糙度(H1/D)的数值，Y轴表示的是两种比值数相除后的数值，即：用设有突起部热水器换热管的范宁摩擦系数f和未设有突起部平滑热水器换热管的范宁摩擦系数fo之比值(f/fo)，除以设有突起部热水器换热管的努塞尔数Nu和未设有突起部平滑热水器换热管的努塞尔数Nuo之比值(Nu/Nuo)后的数值。如上所述，Nu/Nuo的比值越大，传热性能提高得越显著；f/fo的比值越大，则管内的水压损失也越大。因此，以f/fo比值除以Nu/Nuo比值后的数值越大，可以获得即可提高传热性能，同时还可抑制由突起部所造成的对管内压力损失的影响，从而使得热水器换热管整体性能得到提高。从图8(b)可知，当雷诺数Re为2000和4000状况下，设置在热水器换热管内壁表面的突起部的相对粗糙度(H1/D)为0.1时，以f/fo比值除以Nu/Nuo比值后的得到的数值为最大，当突起部的相对粗糙度(H1/D)超过0.25时，其数值明显变小。也就是说，在低雷诺数区域，当突起部的相对粗糙度(H1/D)在0.1～0.25的范围内时，可使得热水器换热管整体性能得以提高。在此将突起部的相对粗糙度(H1/D)设定在0.11～0.15的范围内为宜。
(4)实验4
在实验4中，对图9所示热水器换热管41和图5所示热水器换热管31进行了比较。在此，图9所示热水器换热管41的特征为：在管内径D为8mm的管段内壁表面，设有深度为0.2mm的沟槽42，并将沟槽42用线条表示；而图5所示热水器换热管31的特征为：在管段内壁表面，按照间隔P为20mm，上下对称设有多个高度为H1的突起部313。
图10(a)表示的是：在管内为层流区以及从层流区向紊流区过渡的低雷诺数区域的各雷诺数Re的条件下，采用热水器换热管41情况下和采用热水器换热管31情况下的传热性能。在此，X轴表示的是雷诺数Re的数值，Y轴表示的是：热水器换热管31及热水器换热管41的努塞尔数Nu，与未设有突起部的平滑热水器换热管努塞尔数Nuo的比值(Nu/Nuo)。在此，实线为采用热水器换热管31时的实验数据，虚线为采用热水器换热管41时的实验数据。从图10(a)可知，当雷诺数Re低于7000时，通过设有突起部313的热水器换热管31所获得强化传热的效果，要比通过设有沟槽42的热水器换热管41所获得强化传热的效果更为显著；反之，当雷诺数Re高于7000时，则通过设有沟槽42的热水器换热管41所获得强化传热的效果，要比通过设有突起部313的热水器换热管31所获得强化传热的效果更为显著。
图10(b)表示的是：在管内为层流区以及从层流区向紊流区过渡的低雷诺数区域的各雷诺数Re的条件下，采用热水器换热管41情况下和采用热水器换热管31情况下的管内压力损失。在此，X轴表示的是雷诺数Re的数值，Y轴表示的是：热水器换热管31及热水器换热管41的范宁摩擦系数f，与未设有突起部的平滑热水器换热管范宁摩擦系数fo的比值(f/fo)。在此，实线为采用热水器换热管31时的实验数据，虚线为采用热水器换热管41时的实验数据。从图10(b)可知，在采用热水器换热管31情况下，当雷诺数Re约为2000时，即管内流动为层流区时，其管内压力损失与平滑光管内的压力损失相同。同时，随着雷诺数Re增大、管内流动由层流区向紊流转变，由设置在管段内壁表面突起部313所造成的管内压力损失也会增大。另一方面，在采用热水器换热管41的情况下，在管内流动为层流以及/或者由层流区向紊流区过渡的所有区域内，其管内压力损失都比平滑光管内的压力损失大；而且在管内流动为层流以及/或者由层流区向紊流区转变的所有区域内，热水器换热管41的管内压力损失都比热水器换热管31的管内压力损失要高。从以上实验数据可知，热水器换热管31的热水器换热管整体性能要高于热水器换热管41。
本发明的热水器换热管结构的各种变化通过以下实施例进一步说明如下(下面各实施例中管内径D、突起部高度H1、H2及突起部的间隔、沟槽深度等参数的数值只是用于举例而以，本发明在权利要求书中所要求保护的各参数的数值范围及上述实验中各种取值均可用于下面各实施例中)：
实施例1
在上述应用实施例中，所使用热水器换热管31的特征为：在管内径D为8mm的管段内壁表面，按管轴方向间隔为20mm，上下对称设有高度H1为1mm的突起部。在本实施例1的热水器换热管51中，如图11所示，在高度H1为1.0mm的突起部513之间，设置高度H2为0.3mm的小突起部515。虽然在低雷诺数区域，大的突起部比小的突起部更有助于提高传热系数，但在高雷诺数区域，则是小的突起部比大的突起部更有助于提高传热系数。因此，通过在高度H1为1.0mm的突起部513之间设置高度H2为0.3mm的小突起部515，就可以获得一种相辅相成效果，即：在雷诺数较低区域，通过突起部513来提高传热性能，在雷诺数较高区域，则通过小突起部515来提高传热性能，并由此使热交换器整体性能得到提高。
实施例2
本实施例的结构如图12所示，图中所采用的热水器换热管61，在管内壁表面沿螺旋C1设置突起部613。图12(a)为热水器换热管61的平面图，图12(b)为热水器换热管61的侧视图。在此，突起部613的高度H 1为1.0mm、圆周方向的间隔P1为6mm、管轴方向的间隔P2为6mm。对图12(c)所示热水器换热管62，在高度H1为1.0mm6的突起部623之间，设有高度H2为0.3mm的小突起部625。在此，圆周方向的间隔P3为2mm，管轴方向的间隔P4为2mm。
实施例3
实施例3的结构如图13所示，在实施例3中所采用的热水器换热管63，包括设有突起部633的区域63a和未设有突起部的平滑面区域63b。在此，未设有突起部的平滑面区域63b位于水流出口632的附近处。在热水器换热管63的水流出口632附近，作为流体的水的温度较高，有可能在管壁上形成水垢。如果在这样的区域设置突起部，则可能会加剧水垢的附着。因此，对处于水温较高的水流出口632附近的区域63b，可通过不设置突起部，来抑制水垢的产生。
实施例4
实施例4的结构如图14所示，实施例4中所采用热水器换热管64的特征为：在设有深度为0.2mm沟槽644的带槽热水器换热管内，按管轴方向间隔为20mm，上下对称设有高度H1为1.0mm的突起部643。在此，沟槽644以线条表示。通过在带有沟槽644的热水器换热管内设置突起部643，可获得由沟槽644和突起部643共设所带来的提高热水器换热管整体性能的相辅相成效果。
实施例5
实施例4的结构如图15所示，在实施例5所使用的热水器换热管65由区域65a和区域65b构成。对处于水流出口652附近的区域65b，采用平滑光管；对其它区域65a，在设有沟槽654深度为0.2mm的带槽管内，设置高度为1.0mm的突起部653，沟槽654以线条表示。由此，既可获得由沟槽654和突起部653共设所带来的提高热水器换热管整体性能的相辅相成效果。同时，又可抑制在处于水温较高的水流出口652附近区域65b产生水垢。
实施例6
实施例6的结构如图16所示，在实施例6所采用的热水器换热管66，由区域66a、区域66b、区域66c等三个区域构成。对于从水流入口661到管内雷诺数Re低于4000的区域66a，采用以下特征的热水器换热管，即：在设有深度为0.2mm的沟槽664的带槽管内，设置高度为1.0mm的突起部663；对处于水流出口662附近的区域66c，采用不设沟槽和突起部的平滑光管；在区域66a和区域66c之间，采用设有深度为0.2mm的沟槽664的带槽管66b。在此，沟槽664以线条表示。由此，获得一种相辅相成效果：在雷诺数较低区域，通过突起部663和沟槽664来提高传热性能，在雷诺数较高区域，则通过沟槽664来提高传热性能，从而使热交换器的整体性能得到提高。同时，还可抑制处于水温较高的水流出口662附近区域66c发生水垢。
实施例7
实施例7的结构如图17所示，在实施例7所采用的热水器换热管67，由区域67a、区域67b、区域67c等三个区域构成。对于从水流入口671到管内雷诺数Re低于4000的区域67a，采用设有突起部673高度为1.0mm的热水器换热管；对处于水流出口662附近的区域67c，采用平滑光管；在区域67a和区域67c之间，采用设有深度为0.2mm的沟槽674的带槽管67b。在此，沟槽674以线条表示。由此，可获得一种相辅相成效果，即：在雷诺数较低区域，通过突起部673来提高传热性能，在雷诺数较高区域，则通过沟槽674来提高传热性能，从而使热交换器的整体性能得到提高。同时，还可抑制处于水温较高的水流出口672附近区域67c的水垢发生。
实施例8
实施例4的结构如图18所示，在实施例8中所用热水器换热管68的特征为：在直线部684管内设有突起部683，但在曲线部B1～B7管内未设突起部。这样，既可避免由于在曲线部B1～B7管段内壁表面设置突起部而造成的管内压力损失的增大，也可避免在实施弯曲作业过程中发生大规模变形和破损。
实施例9
实施例9的结构如图19所示，其，图19(a)为实施例9所采用热水器换热管69的平面图，图19(b)则是热水器换热管69的侧视图。在此，在直线部694的管段内壁设有突起部693，而在曲线部C—C处，在与弯曲面相交叉的管段内壁695没有设置突起部。
实施例10
实施例10的结构如图20所示，在实施例10中所采用的热水器换热管70的特征为，在热水器换热管的外壁面71和制冷剂管72的接触部位未设突起部。如果在与制冷剂管72的缠绕部位相对应的热水器换热管外壁面设有凹陷，则制冷剂管72与热水器换热管外壁面71的接触不良，有可能降低制冷剂管72的传热效果。因此，通过在没有缠绕制冷剂管72的热水器换热管管段部位内设置突起部713，可防止制冷剂管72的传热效果的降低。
实施例11
实施例11的结构如图21所示，其中，图21(a)为实施例11中所采用热水器换热管80的平面图，图21(b)为图21(a)的D—D方向剖视图。如图21(a)所示，在热水器换热管内壁，按照管轴方向间距P1为20mm、圆周方向间距P2为大约6mm，以上下左右对称的形式设置高度H1为1.0mm的突起部813。
本发明的效果
如上所述，通过实施本发明，可获得以下效果：
在本发明提出的第1种热水器换热管为，在处于管内流体的雷诺数(Re)低于7000区域的至少一部分的热水器换热管内壁表面上，设有多个突起高度H1为0.8～2.0mm的突起部。由此，即使是在管内流动为层流区以及发生由层流区向紊流区转变的低雷诺数值的区域，也可通过设置在管段内壁表面的突起部来提高传热系数，同时减小由突起部对管内压力损失所造成的影响，从而提高热水器换热管的整体性能。在此突起部的高度设定在0.9mm～1.2mm的范围内为宜。
在本发明提出的第2种热水器换热管为，在处于管内流体的雷诺数Re低于7000区域的至少一部分的管段内壁表面上，设有多个突起高度H1与内径D的比为0.1～0.25的突起部。由此，即使是在管内流动为层流区以及发生由层流区向紊流区转变的低雷诺数值的区域，也可通过设置在管段内壁表面的突起部来提高传热系数，同时减小由突起部对管内压力损失所造成的影响，从而提高热水器换热管的整体性能。在此突起部的相对粗糙度(H1/D)设定在0.11～0.15的范围内为宜。
在本发明提出的第3种热水器换热管为，对于用于热水器热交换器的热水器换热管，在处于管内流动的流体--水的进口处附近的管段内壁表面，设有多个突起高度H1为0.8～2.0mm的突起部。其结果，既可通过设置在管段内壁表面的突起部来提高传热系数，同时又减小由突起部对管内压力损失所造成的影响，从而提高热水器换热管的整体性能。在此突起部的高度设定在0.9mm～1.2mm的范围内。
在本发明提出的第4种热水器换热管为，对于用于热水器热交换器的热水器换热管，在处于管内流动的流体--水的流入进口处附近的管段内壁表面，设有多个突起高度H1与内径D的比为0.1～0.25的突起部。其结果，既可通过设置在管段内壁表面突起部来提高传热系数，同时又减小由突起部对管内压力损失所造成的影响，从而提高热水器换热管的整体性能。在此突起部的相对粗糙度(H1/D)设定在0.11～0.15的范围内为宜。
在本发明提出的第5种热水器换热管为，热水器换热管管内流动的流体的流速为0.1m/s～0.6m/s。在管内流动的流体的流速低于0.1m/s时，换热管的传热性能非常低；而在管内流动的流体的流速高于0.6m/s时，导致管内摩擦系数增加，管内的压力损失增大。由此，在本发明的热水器的热交换器中，在管内流动的流体的流速采用0.1m/s～0.6m/s。其结果，由于管内所设的突起部，既提高了传热系数，又减小了突起部对管内压力损失所造成的影响，从而使热水器换热管的整体性能得到提高。
在本发明提出的第6种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，所述突起部任意高度的横截面形状为：可由圆形，椭圆形或近似圆形等平滑曲线所组成。
在此，由于突起部外侧周边表面由平滑的曲线组成，与突起部外侧周边表面由直线(非平滑曲线)组成时相比，可减少脱离漩涡的产生，从而抑制由于管内流体的压力损失所造成的影响，提高热水器换热管的整体性能。
在本发明提出的第7种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，在处于流体出口处附近区域的管段内壁表面上，没有设所述突起部。
在热水器换热管的流体出口处，流体的温度较高，假如流体为水，管段内壁表面有可能附着水垢。如果在此区域设置突起部，可能会导致出现因为突起部的存在，反而会加剧水垢附着的后果。因此，在处于流体温度较高的流体出口附近的区域，可通过使用不带突起部的管子、比如平滑光管，来抑制水垢的产生。
在本发明提出的第8种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，其管段内壁表面为带浅槽的表面，所述槽的深度低于所述突起部的高度H1。
在低雷诺数区域，管段内壁表面所设突起部中的大突起部，比起小突起部，更有助于传热系数的提高，因此，通过在管段内壁设置高度高于带槽管的沟槽深度的突起部，可提高传热效果；另一方面，在高雷诺数区域，低于突起部高度的沟槽更有助于传热系数的提高，因此，在高雷诺数区域，通过使用管段内壁表面沟槽低于突起部高度的带槽管，可进一步提高热水器换热管的传热性能。
在本发明提出的第9种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，多个突起部沿与管轴线平行的方向设置。
通过沿管轴方向设置突起部，可以连续发生强化强化传热效果。同时，由于流体顺管轴方向直线流动，可减小压力损失的增加，提高热水器换热管的整体性能。
在本发明提出的第10种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，多个突起部沿螺旋方向设置。
通过将突起部沿螺旋方向设置，使管内流体的流动产生回旋，延长流体的通过长度，从而进一步提高传热性能。
在本发明提出的第11种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，多个突起部设置在沿管道直径方向成对的位置上。
通过将突起部设置在沿管道直径方向成对的位置上，可减少突起部附近的横截面面积，促进流体的混合，从而进一步提高传热性能。
在本发明提出的第12种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，多个突起部间的间隔P与热水器换热管内径D的比为0.5～10。
通过将突起部间的间隔P与热水器换热管内径D的比设定为0.5～10，可既保持强化传热效果，又减少压力损失的增加，从而提高热水器换热管的整体性能。在此将热水器换热管的突起部间的间隔P与热水器换热管内径D的比设定为0.8～4。
在本发明提出的第13种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，在所述多个突起部之间，还设有突起高度H2小于0.8mm的小突起部。
在低雷诺数区域，大的突起部比小突起部，更有助于传热系数的提高；反之，在高雷诺数区域，小突起部比大突起部，更有助于传热系数的提高。在此，通过在大的突起部之间，设置小的突起部(小突起部)，可获得一种相辅相成效果，即：在雷诺数低的区域，通过大的突起部提高传热性能，在雷诺数高的区域，则通过小的突起部提高传热性能，并由此提高热交换器的整体性能。
在本发明提出的第14种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，在管段内壁表面上存在没有设突起部的平面部分。由于存在未设突起部的平面部，热水器换热管的内壁表面形状的变化为最大，可提高传热性能。
在本发明提出的第15种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，所述突起部是通过从管外部施加外力而形成，且在直线部设所述突起部，在曲线部未设所述突起部。
当采用从外部施加外力的方式在热水器换热管内壁表面形成突起部时，通常为管段外壁面呈现凹陷，而在相对应的管段内壁表面会形成向管内突起的突起部。此外，一般来说，热水器换热管包括有直线部分和曲线部分。而在曲线部分管段，除存在直线部分也存在的管内压力损失外，还存在由于管段弯曲而出现的附加性的压力损失。如果在管段曲线部分的内壁表面再设置突起部，曲线部分所具有的压力损失还可能进一步增大；同时，在实施弯曲作业过程中，在热水器换热管外壁面的凹陷部位有可能会发生巨大变形和破损。因此，在直线部设置了突起部，而在曲线部没有设置突起部。
在本发明提出的第16种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，所述突起部是通过从管外部施加外力而形成，在曲线部的管段上，与弯曲面相交叉的面上未设所述突起部。在热水器换热管的曲线部，与弯曲面相交叉部分的变形量为最大，因此，对于热水器换热管的曲线部，在与弯曲面相交叉的管段区域没有设置突起部。
在本发明提出的第17种热水器换热管为，在所述的第1种至第4种发明中任意一种热水器换热管中，所述热水器换热管外部设有第二换热管，在所述第二换热管内流动的第二流体是为所述流体提供热量的；所述热水器换热管的外壁面与所述第二换热管相接触；所述管内壁面上的突起部是通过按压外壁面而形成，且所述突起部设在与第二换热管不接触的位置。
在此，由于所述管内壁面上的突起部是通过按压外壁面而形成，在与内壁面形成突起部的部位相对应的外壁面上会形成凹陷。如果在与第二换热管接触部位形成突起部，换而言之，在所述热水器换热管外壁面形成凹陷时，所述热水器换热管与第二换热管的接触就会恶化，由第二换热管所提供的传热效果就会降低。因此，只有在与第二换热管接触的管段区域不设置突起部，才可防止降低由第二换热管所提供的传热效果。

Claims (17)

1.一种热水器换热管，用于在管内外进行热交换，其特征在于：
在处于管内流体的雷诺数(Re)低于7000区域的至少一部分的管段内壁表面，设有多个突起部，该突起部的高度(H1)为0.8mm～2.0mm。
2.一种热水器换热管，用于在管内外进行热交换，其特征在于：
在处于管内流体的雷诺数(Re)低于7000区域的至少一部分的管段内壁表面，设有多个突起部，该突起部的高度(H1)与内径(D)的比为0.1～0.25。
3.一种热水器换热管，用于热水器的热交换器上，并在管内外进行热交换，其特征在于：
在管内流动的流体为水，且在处于流体进口处附近的管段内壁表面，设有多个突起部，该突起部的高度(H1)为0.8mm～2.mm。
4.一种热水器换热管，用于热水器上的热交换器上，并在管内外进行热交换，其特征在于：
在管内流动的流体为水，且在处于流体进口处附近的管段内壁表面，设有多个突起部，该突起部的高度(H1)与内径(D)的比为0.1～0.25。
5.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
在所述管内流动的流体的流速为0.1m/s～0.6m/s。
6.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
所述突起部的横截面形状为：由圆形，椭圆形或近似圆形的平滑曲线所组成。
7.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
在处于流体出口处附近区域的管段内壁为平滑表面。
8.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
所述管段内壁表面为带槽的表面，所述槽的深度低于所述突起部的高度(H1)。
9.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
在所述管段内壁沿与管轴线平行的方向设所述多个突起部。
10.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
在所述管段内壁沿螺旋方向设所述多个突起部。
11.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
所述管段内壁沿管道直径方向成对的位置设所述多个突起部。
12.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
所述多个突起部间的间隔(L)与内径(D)的比为0.5～10。
13.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
在所述多个突起部之间，还设有突起高度(H2)小于0.8mm的小突起部。
14.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
在所述管段内壁表面上，处于设有突起部的两段内壁之间的一段管内壁为平滑面。
15.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
所述突起部是通过从管外部施加外力而形成，且在直线部管段内壁设有所述突起部，在曲线部管段内壁为平滑面。
16.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
所述突起部是通过从管外部施加外力而形成，在曲线部的管段上与弯曲面相交叉的管段内壁为平滑面。
17.根据权利要求1至4所述的任意一种热水器换热管，其特征在于：
所述热水器换热管外部设有第二换热管，在所述第二换热管内流动的第二流体与所述流体进行热交换，
所述热水器换热管的外壁面与所述第二换热管相接触，
所述管内壁面上的突起部是通过按压外壁面而形成，且所述热水器换热管与第二换热管接触位置的内管壁为平滑面。
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