CN1858541A - 一种三维内表面传热管和用该传热管的换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维内表面传热管，特别涉及一种管内蒸发或冷凝、管外液体对流传热的强化传热管。本发明一种三维内表面传热管，包括传热管主体，其中，管内由主齿和副齿形成三维凸台或交叉部分。首次应用于冷水机组的干式蒸发器或冷凝器中。本发明突破以往内螺纹高效管内螺纹形状结构，在管内表面制有多个独立的凸台，该凸台有方形、长方形、平行四边形，也可呈棱锥形或棱台形，从而增加了传热管的内表面积，改善了管内制冷剂蒸发或冷凝的换热效果，使热交换效率有显著的提高。本发明可采用金属挤压工艺一次成型，加工效率高，应用于壳管式换热器中，两端或中间位置留有光端，便于胀管，同时避免了常规空调器应用中因胀管损伤内壁翅片而降低性能。

Description

一种三维内表面传热管和用该传热管的换热器

所属技术领域

本发明涉及一种三维内表面传热管，属传热设备技术领域，具体涉及一种外壁光滑，内壁三维强化的传热管，特别涉及一种管内蒸发或冷凝、管外液体对流传热的强化传热管。

背景技术

房间空调器的蒸发器和冷凝器主要形式为使用铜管套铝翅片的管翅式换热器，目前铜管普遍使用内螺纹铜管，其管内换热系数提高了是光管的1.5～3倍。在现有技术中，内螺纹传热管的换热性能与其换热面积及内螺纹的形状(如螺旋角、翅高、翅顶角…)直接相关。中国专利ZL 02232596.4公开了一种“断续齿内螺纹无缝高效传热管”，是在管内表面制有多条带螺纹升角的螺旋形等高螺纹齿，沿齿顶脊上开有规则/不规则间距的切断脊式沟槽，由此加大了传热管内表面积，并有利于提高制冷剂在管内沿程蒸发或冷凝时的不同干度状态下的管内换热效率。中国专利ZL02802107.X中公开了“具有带凹槽的内表面的改进传热管”，它通过几组辊子将预定图案印到板上，该板卷成型并焊接成管，形成所需的强化内表面。

现有技术的内壁强化的换热管外径一般小于10mm，绝大部分以盘管形式供货，主要用于加热或冷却管外空气的空调器场合；为提高空气侧换热系数，减小铝箔与换热管外表面的间隙，换热管必须与板式铝翅片相胀接，胀接方法分液压法和机械法两种，不管哪种方法，在内壁齿型复杂细小时，内壁容易在胀管时变形，与胀管前预测的性能相比，大大降低了换热性能，这点也制约了该类内壁三维换热管的市场化。对于焊接管而言，设备投入和加工成本都较高，另外业界对于焊缝的产品质量和使用寿命的担忧也有待长期使用的验证。

在中大型冷冻机(如冷水机组、热泵机组和热回收机组)应用中：大量采用壳管式的干式蒸发器或冷凝器(总量50％以上)，与普通空调器不同，其管外是水或其它液体载冷剂或冷却剂。例如，在干式蒸发器中：管内为制冷剂的蒸发或冷凝，管外为载冷剂水的对流换热。现有技术的换热管也广泛采用来复线形式的内螺纹铜管，外径为9mm～25mm，其内螺纹形状也是综合了蒸发和冷凝换热要求并优化尺寸。而随着冷冻机能效要求的提高，对于换热管的换热性能及管内压降的要求也进一步提高；另外新环保制冷剂的逐步采用也对传统内螺纹管的性能提出了更高要求。

对于这类壳管式换热器，主要通过管端与管板的胀接来连接换热管及壳体，因而中间管段的强化表面不会因受压而变形，另外在该领域目前还未曾采用复杂的三维内表面换热管，因而在管壳式换热器中采用三维内表面传热管具有更大的可行性。采用优化的三维内表面可以比单纯内螺纹增加换热面积，提高制冷剂相变的换热系数。例如，对于蒸发工况，管内气化核心的数量增多，从而可提高蒸发传热系数；而对于冷凝工况，优化的三维内表面换热管有利于冷凝液的流动，减薄冷凝液膜，提高冷凝性能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种无缝的三维内表面传热管，既可提高传热管蒸发/冷凝性能，又可以避免在常规空调器应用中因胀管损伤内壁翅片而降低性能。

本发明目的通过下述技术方案实现：一种三维内表面传热管，包括传热管主体，其中：管内由主齿和副齿形成三维凸台或交叉部分。由于三维内表面凸台的存在，可保障在蒸发过程中，沿程不同制冷剂干度的情形下，换热管内表面能保持湿润，有利于整段管内蒸发持续高效进行；对于冷凝工况，因三维凸台形成了表面各点处的曲率不同，有利于冷凝液的流动，并降低液膜的厚度，从而减少热阻，提高冷凝性能。

在上述方案基础上，所述的内表面具有强化换热表面，成品管两端或中间段有光端或无齿段，光端位置和无齿段长度可根据用途及性能要求调整。以便于胀管，增加使用的可靠性。

所述的管主体可以是常规直管结构、波纹管、外径周期变化或非周期变化的缩放管结构中的任一种。因为根据现有的技术，这些方法都可以强化换热管的传热，可以理解在本发明的基础上，按这些结构形式，进行二次加工可进一步提高换热管内的蒸发和冷凝换热系数的同时提高管外的对流换热系数。

所述的管主体的内表面分布有来复线式的内螺纹，管内表面由主齿和副齿形成三维凸台，该三维凸台沿轴线和径向分布。

所述的三维凸台有方形、长方形、平行四边形、呈棱锥形或棱台形中的一种或其组合。

其中，管内表面的凸台间的轴向间距为0.4～1.4mm，凸台的径向间距为0.3～1.2mm，周向长度小于或等于轴向长度，凸台的高度为0.1～0.4mm。

所述的主齿和副齿形成相反角度，主齿与轴线成b角为0～30°，副齿与轴线成a角为0～-30°。

所述的主齿齿距d1+d2为0.4～1.4mm，副齿齿距e1+e2为0.3～1.2mm，d1为0～1.0mm，d2为0.3～1.0mm，e1为0～0.9mm，e2为0.3～1.0mm，三维凸台高度为0.1～0.45mm。凸台间沿主副齿形成较长的渠道，因毛细作用，能够改善液体在两相物态转化中的环流效应和扰流效应，同时也增加了内表面积。

本发明三维内表面传热管用于传热管与管板胀接或焊接，构成换热器的一部分。

更进一步是用于冷水机组或热泵机组，将传热管使用在管内为制冷剂相变换热，管外为载冷剂或冷却剂的换热器中。

本发明与现有技术相比有如下的优点和效果：

(1)管内通过加工形成三维形状，增加了管内的换热面积，通过优化尺寸，增强管内紊流流动，蒸发或冷凝的相变换热系数增加了30％以上，首次实现了三维内表面换热管在冷水机组的干式蒸发器或冷凝器中的应用；

(2)与焊接管或其他多道加工工序成型的传统换热管相比，应用金属挤压加工工艺原理，采用专用机床一次性成型，加工效率高；

(3)用于壳管式换热器中，可在换热管两端或中间任意位置留出一定长度的光管段，供胀管或隔板支撑；

(4)在该换热管的基础上进行波纹管或缩放管加工，在进一步提高换热管内的蒸发和冷凝换热系数的同时提高管外的对流换热系数。

附图说明

图1是本发明内表面示意图。

图2本发明内表面轴侧面示意图。

图3是本发明内表面齿形示意图。

图4是本发明长度方向光端示意图。

图5是本发明工艺示意图。

图6是本发明应用实施例图。

其中：

图5中标号：

芯杆—2；主芯头—21；副芯头—22；滚压体—3；定径环—4；精整套—5。

图6中标号：管主体—1；换热器—6；管板—61；腔室入口—7；腔室出口—8；水室入口—9；水室出口--10。

具体实施方式

本发明提出的一种三维内表面传热管，采用曲面复合的方式，其结构如图1本发明内表面示意图，图2为本发明三维内表面传热管轴侧面示意图和图3是本发明内表面齿形示意图所示，一种三维内表面传热管，包括传热管主体1，其管内由主齿和副齿形成三维凸台11或交叉部分，该三维凸台11沿轴线和径向分布。管两端可带有光端12、13，以便于胀管，以增加使用的可靠性。内表面具有强化换热表面，成品管两端或中间段有光端或无齿段，光端位置和无齿段长度可调。

该凸台有方形、长方形、平行四边形，也可呈棱锥形或棱台形，使内表面形成了三维的强化表面。主齿和副齿形成相反的角度，但是角度可以不相等，齿形可以是梯形或三角形。主齿和副齿的高度可以相等，也可以有高低分别。

本发明的实施例中，主齿与轴线成b角度为0～30°，副齿与轴线角度a为0～-30°，主齿高度h2为0.1～0.4mm，副齿高度h1为0.1～0.4mm，主齿齿形角为5～30°，副齿齿形角为5～30°，主齿齿距d1+d2为0.4～1.4mm，副齿齿距e1+e2为0.3～1.2mm，d1为0～1.0mm，d2为0.4～1.0mm，e1为0～0.9mm，e2为0.3～1.0mm。三维凸台高度为0.1～0.4mm，因为应用于壳管式换热器，在换热管的加工中，按图4本发明长度方向光端示意图所示，可以在管两端或管中间任意位置留出光端，便于胀管。

本发明的加工工艺；按图5本发明工艺示意图所示，加工和制造本发明换热管。管主体1材料可选用铜和铜合金材料或其他金属，换热管外径为9～25mm，壁厚为0.5～1mm，采用专用的旋压机和拉床用旋压和拉伸的方式进行成形加工，管内和管外同时一体化加工，在管主体内表面上加工成三维凸台形状的内螺纹形复杂曲面，形成三维形状的里脊。

加工方式是一次成型的方式，在芯杆2上有两个芯头，分别是主芯头21和副芯头22，滚压体3在铜管周围高速旋转形成主齿和副齿，定径环4由平面和斜面组成，调整滚压体3在定径环4中的位置，可以实现光端的加工。精整套5是对已加工的铜管进行精加工以便生产标准的产品。

在需要留有光管的位置，利用电气控制在该位置滚压体收起即可，经过一段设定的行程继续加工，内壁成型。

按前列的管内壁成型工序后，管主体外表面可二次加工成波纹形式或截面轴向变化的形状，进一步增强管内换热。

如图6本发明应用实施例图所示，用本发明实现热交换的方式如下：

将本发明管体1固定在换热器6(如干式蒸发器)的管板61上，制冷剂(如氟里昂)从腔室入口7流经本发明主管体1的管内，与管外载冷剂(如水)换热，沿程蒸发，成为过热蒸汽，再从腔室出口8流出；载冷剂(如水)通过水室入口9进入换热器，通过折流板后从水室出口10流出换热器。由于前述的传热管管体1的内壁为三维的内螺纹构造，有利于提高管内相变换热系数，而在管外热阻较大的场合，换热管的波纹加工，可有效的进一步提高管内外换热面积及换热系数，从而管件整体换热系数得到有效的提高，也提高了换热器6的性能。

Claims (10)

1、一种三维内表面传热管，包括传热管主体，其特征在于：管内由主齿和副齿形成三维凸台或交叉部分。

2、根据权利要求1所述的一种三维内表面传热管，其特征在于，内表面具有强化换热表面，成品管两端或中间段有光端或无齿段，光端位置和无齿段长度可调。

3、根据权利要求1所述的三维内表面传热管，其特征在于所述的管主体可以是常规直管结构、波纹管、外径周期变化或非周期变化的缩放管结构中的一种。

4、根据权利要求1所述的三维内表面传热管，其特征在于所述的管主体的内表面分布有来复线式的内螺纹，管内表面由主齿和副齿形成的三维凸台，该三维凸台沿轴线和径向分布。

5、根据权利要求4所述的三维内表面传热管，其特征在于所述的凸台有方形、长方形、平行四边形、呈棱锥形或棱台形中的一种或其组合。

6、根据权利要求4所述的三维内表面传热管，其特征在于管内表面的凸台间的轴向间距为0.4～1.4mm，翅台的径向间距为0.3～1.2mm，周向长度小于或等于轴向长度，翅台(2)的高度为0.1～0.4mm。

7、根据权利要求4所述的三维内表面传热管，特征在于主齿和副齿形成相反角度，主齿与轴线成B角度为0～30°，副齿与轴线成A角度为0～-30°。

8、根据权利要求4所述的三维内表面传热管，其特征在于主齿齿距d1+d2为0.4～1.4mm，副齿齿距e1+e2为0.3～1.2mm，d1为0～1.0mm，d2为0.3～1.0mm，e1为0～0.9mm，e2为0.3～1.0mm，三维凸台高度为0.1～0.45mm。

9、一种利用权利要求1所述的三维内表面传热管的用途，其特征在于传热管与管板胀接或焊接，构成换热器的一部分。

10、根据权利要求9所述的用途，其特征在于，用于冷水机组或热泵机组，将传热管使用在管内为制冷剂相变换热，管外为载冷剂或冷却剂的换热器中。

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