CN1955629A - 内表面带槽的传热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可大幅度提高蒸发传热率，并可抑制冷凝传热率的降低的内表面带槽的传热管。内表面带槽的传热管(21)具备：具有作为中心轴线的管轴线O的管主体(22)；通过在管主体(22)的内表面沿管轴线O设置多个螺旋槽(200)而形成的，且具有规定的翅片高度Hf的多个第一翅片(23)；以及在多个螺旋槽(200)中的至少一个螺旋槽的槽底上竖立设置的至少一个第二翅片(24)，第二翅片(24)的翅片高度hf及螺旋角α在将螺旋槽(200)的槽底宽度及螺旋角分别设为W、β，并且将管主体的内径设为di时，在P＝W×di×sinβ为P≥0.86的场合，尺寸、角度分别设定为满足式Hf/15≤hf≤Hf/3和α＝β。

Description

内表面带槽的传热管

技术领域

本发明涉及例如在使制冷剂在管内蒸发或冷凝而进行热交换的场合所使用的内表面带槽的传热管。

背景技术

在冷冻机、空气调节器、热泵等的热交换器中使用，通过将制冷剂通入传热管内，使该制冷剂在传热管内蒸发或冷凝，从而进行热交换的传热管。

如上所述的传热管的内表面当初虽是平滑的表面，但随着热力学研究的进步，认识到将表面做成具有一定凹凸的面可提高传热率，最近占主流地位的主要是将在外径为5mm～9.52mm的传热管的内表面上呈螺旋状地连续形成剖面大致成梯形的槽和隔开该槽的剖面大致成三角形的翅片的内表面带槽的传热管。(“小型热交换器”濑下 裕著P138)

图9是表示以往的管内蒸发、冷凝用传热管(内表面带槽的传热管)的图。图9(a)是包括管轴线(虚拟轴线)的剖面图。图9(b)是与管轴线成直角的剖面图。图9(c)是将图9(b)的A部分放大表示的剖面图。另外，在图9中，H表示翅片高度，β表示对管轴线的角度(螺旋角)，W表示槽底宽度。该内表面带槽的传热管1在管主体2的内表面上形成了连续的螺旋槽3及螺旋翅片4。

使用这种内表面带槽的传热管1，则管内的表面积增大，传热面积增大。而且，通过对紊流效果的促进、随着增加螺旋翅片的制冷剂液膜厚度的减小，可得到高的蒸发传热率、冷凝传热率，可以提高冷冻机、空气调节器、热泵等的性能。

近年来，在这种内表面带槽的传热管中，开发出了通过在螺旋翅片之间附加翅片高度比较低的一个或多个翅片而将液膜保持得较薄，从而具有提高了蒸发性能的槽形状的传热管(例如参照专利文献1-日本特开2002-350080号公报)。图10是表示具有高翅片和低翅片的内表面带槽的传热管的图。图10(a)是与管轴线成直角的剖面图。图10(b)是放大表示图10(a)的A部的剖面图。

在图10(a)及图10(b)中，内表面带槽的传热管10具有管主体11及高翅片12a、低翅片13a，整体由铜管制成。在管主体11(外径7mm、槽底壁厚0.25mm)的内表面上，形成翅片高度0.2mm、螺旋角16度、翅片数50个的高翅片12a，再在高翅片12a和高翅片12a之间的每个螺旋槽12b的槽底上形成两个峰的高度为0.03mm的低翅片13a。另外，在图10(b)中，Hf表示高翅片的翅片高度，而hf表示低翅片的翅片高度。

使用这种现有的内表面带槽的传热管10时，则表面积比上述以往的内表面带槽的传热管增大，而且由于存在低翅片13a而形成薄的液膜，可以提高蒸发性能。

但是，若根据专利文献1，由于管主体11的高翅片12a的高度是0.2mm，低翅片13a的高度是0.03mm，所以翅片高度比(低翅片的翅片高度÷高翅片的翅片高度)为0.15，如图11所示，与以往的内表面带槽的传热管(没有低翅片13a的传热管)相比，蒸发传热率为1.08倍，冷凝传热率为稍低的0.98倍。若增大翅片高度，则冷凝传热率更加降低，当翅片高度比为0.25时降低到0.8倍以下，蒸发传热率的提高增加到1.1倍但其增加的比例少。这样，在具有螺旋角16度的高翅片12a的外径7mm的内表面带槽的传热管中，因增加低翅片得到的性能提高率少。即，在具有高翅片12a和低翅片13a的内表面带槽的传热管10中，虽然可以认为蒸发传热率提高，但是性能提高小到不足10％，而且伴随翅片高度比的增加其冷凝传热率大大降低。

因此，本发明的发明人考察了高翅片和低翅片的高度比对传热率比(蒸发传热率/冷凝传热率)给予的影响，并考察了管主体的内径di(mm)、螺旋槽的槽底宽度W(mm)和螺旋角β的sin值的乘积(P＝W×di×sinβ)对蒸发传热率比给予的影响，开始研究变更高翅片的翅片高度Hf及低翅片的翅片高度hf、管主体的内径di、螺旋槽的槽底宽度W、螺旋角β，但在这个过程中发现，在将螺旋槽的槽底宽度及螺旋角分别设为W(mm)、β(度)，并将管主体的内径设为di(mm)，P＝W×di×sinβ为P≥0.86的场合，当将低翅片的翅片高度hf(mm)及螺旋角α(度)的尺寸、角度分别设定为满足式Hf/15≤hf≤Hf/3和α＝β时，则蒸发传热率大幅度提高，并且可抑制冷凝传热率的降低。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种可以大幅度提高蒸发传热率，并且可以抑制冷凝传热率的降低的内表面带槽的传热管。

为了达到上述目的，本发明的内表面带槽的传热管，具备：具有作为中心轴线的管轴线的管主体；通过在上述管主体的内表面沿上述管轴线设置多个螺旋槽而形成，且具有规定的翅片高度Hf的多个第一翅片；以及在上述多个螺旋槽中的至少一个螺旋槽的槽底上竖立设置的至少一个第二翅片；其特征是，上述第二翅片的翅片高度hf及螺旋角α，在将上述螺旋槽的槽底宽度及螺旋角分别设为W、β，并且将上述管主体的内径设为di时，P＝W×di×sinβ为P≥0.86的场合，设定为尺寸、角度分别满足式Hf/15≤hf≤Hf/3和α＝β。

根据本发明，可以大幅度提高蒸发传热率，并且可以抑制冷凝传热率的降低。

附图说明

图1(a)及图1(b)是用于说明本发明的实施方式的内表面带槽的传热管所表示的剖面图。

图2是用于说明传热管性能测定装置所表示的俯视图。

图3是表示本发明的实施方式的内表面带槽的传热管的W×di×sinβ和传热率比的关系的曲线图。

图4是表示本发明的实施方式的内表面带槽的传热管的翅片高度比和传热率比的关系的曲线图。

图5是表示本发明的实施方式的内表面带槽的传热管的外径和传热率比的关系的曲线图。

图6是表示本发明的实施方式的内表面带槽的传热管的螺旋角和传热率比的关系的曲线图。

图7是用于说明本发明的实施方式的内表面带槽的传热管的变形例(1)所表示的剖面图。

图8是用于说明本发明的实施方式的内表面带槽的传热管的变形例(2)所表示的剖面图。

图9(a)～图9(c)是用于说明以往的内表面带槽的传热管所表示的剖面图。

图10(a)及图10(b)是用于说明具有高翅片及低翅片的现有的内表面带槽的传热管所表示的剖面图。

图11是表示图10的内表面带槽的传热管的翅片高度比和传热率的关系的曲线图。

具体实施方式

图1是用于说明本发明的实施方式的内表面带槽的传热管所表示的图。图1(a)是与管轴线成直角的剖面图。图1(b)是放大表示图1(a)的B部分的剖面图。

在图1(a)及图1(b)中，用符号21表示的内表面带槽的传热管具备：

具有作为中心轴线的管轴线(虚拟轴线)O的管主体22，和各翅片高度互相不同的大小(高低)两个翅片23、24(第一翅片23、第二翅片24)，整体由例如铜制的圆管制成。

管主体22分别设定为，例如外径do为do＝9.52mm，而且内径di(槽底壁厚0.30mm)为di＝8.92mm。

第一翅片(高翅片)23通过在管主体22的内表面沿管轴线O设置多个(55个)螺旋槽200，由顶角a为0＜a＜90度的剖面大致成梯形的凸起体形成。设定翅片高度Hf为例如Hf＝0.18mm，设定螺旋角β为例如β＝35度，设定翅片数N为例如N＝55。

第二翅片(低翅片)24配设在55个第一翅片23中互相相邻的两个第一翅片之间，且由在55个螺旋槽200的槽底竖立设置的，与第一翅片23同样将顶角a做成0＜a＜90度的剖面大致成梯形的凸起体形成。翅片高度hf及螺旋角α，在将螺旋槽200的槽底宽度及螺旋角(第一翅片23的螺旋角)分别设为W、β，并且将管主体22的内径设为di时，P＝W×di×sinβ为P≥0.86的场合，将尺寸、角度分别设定为满足式Hf/15≤hf≤Hf/3和α＝β。例如，将翅片高度hf设定为hf＝0.03mm。而且，分别设定翅片数n为n＝55，螺旋角α为α＝35度。

图2表示传热管性能测定装置。在图2中，传热管性能测定装置100具备：压缩制冷剂蒸气的压缩机101；将被压缩机101压缩的制冷剂蒸气冷凝而得到制冷剂液体的冷凝器102；对来自冷凝器102的制冷剂液体进行减压的膨胀阀103；以及将被膨胀阀103减压的制冷剂蒸发而得到制冷剂气体的蒸发器104。

在利用这种传热管性能测定装置100测量蒸发传热率时，将图1所示的内表面带槽的传热管21作成有效长度3000mm，如图2所示组装到蒸发器104中进行。蒸发器104为双层管结构，水流经内表面带槽的传热管21的外部而使内表面带槽的传热管21中的制冷剂蒸发。另一方面，为了测量冷凝传热率，将内表面带槽的传热管21组装到冷凝器102中进行。

注视如图9所示的以往的内表面带槽的传热管的一个一个槽内的液体的举动的场合，管内是否容易被液体润湿，由表面张力和重力的关系决定。在内表面带槽的传热管使其管轴线与重力方向成直角地设置时，在管内径小且槽底宽度小的场合，则表面张力增大，管内容易被液体润湿。而且，若螺旋角大，则液体容易沿槽流向重力方向，所以管内表面(特别是管内上部)容易干燥。

在本实施方式中，制冷剂使用R410A，在蒸发试验时，将蒸发器104的入口干燥度设为0.2，出口饱和温度设为12.0度，出口过热度设为2度；在冷凝试验时，将冷凝器102的入口过热度设为22.5度，入口饱和温度设为40度，出口过冷却度设为5度。并且，传热管的规格按照表1、2所示的规格，实施了以下各测定。

图3是表示使用图2所示的传热管性能测定装置100，对于管外径do(do＝7mm～9.52mm)，考察了槽底宽度W(W＝0.27mm～0.41mm)和管内径di(di＝6.5mm～8.46mm)和sinβ(螺旋角β＝18度～40度)的乘积(P＝W×di×sinβ)对蒸发传热率比给予的影响的结果的曲线图。另外，纵轴表示与以往的内表面带槽的管的蒸发传热率比，而和横轴表示W×di×sinβ。管内径di是槽底基准的内径。在这里，“与以往的内表面带槽的管的蒸发传热率比”指的是“本发明的具有第一(高)翅片和第二(低)翅片的内表面带槽的管的蒸发传热率”和“是同规格但去掉了第二翅片的以往的内表面带槽的管的蒸发传热率”的性能比。而且，蒸发传热率比是制冷剂流量为30kg/h的场合的比。

从图3中可知，即使增加第二翅片，若P＝W×di×sinβ小，则蒸发性能提高虽未预料，但若P愈大则其效果愈大。这是因为，若P小则表面张力的效果变大，与此相对若P大则表面张力的效果变小。从图3中，如果W×di×sinβ为0.86以上，则通过增加低翅片而使蒸发性能提高。

图4是表示考察了第一翅片和第二翅片的翅片高度比对冷凝、蒸发传热率给予的影响的结果的曲线图。另外，纵轴表示与以往的内表面带槽的传热管的性能比，而横轴表示将第二翅片的翅片高度hf用第一翅片的翅片高度Hf除的值(hf/Hf)。在这里，以往的内表面带槽的传热管指的是第二翅片和第一翅片的翅片高度比为0，即只有第一翅片的内表面带槽的传热管。传热率比是制冷剂流量为30kg/h的场合的比。

从图4中可知，本实施方式的内表面带槽的传热管(第一翅片的翅片高度Hf为Hf＝0.18mm，第二翅片的翅片高度hf为hf＝0.03mm)，翅片高度比大约为0.17，与以往的内表面带槽的传热管相比蒸发传热率为1.4倍，冷凝传热率为0.97倍。

在这里，若翅片高度比不到1/15，则蒸发传热率的提高变小，另一方面，若翅片高度比超过1/3，则因增加第二翅片导致的重量增加达4％以上，传热管的重量变重将导致成本增加。由此，翅片高度比最好是1/15以上，1/3以下(Hf/15≤hf≤Hf/3)。

图5是表示考察了传热管外径对冷凝、蒸发传热率的影响的结果的曲线图。另外，纵轴表示与以往的内表面带槽的传热管的性能比，横轴表示传热管的外径。

传热管的规格如表1。从图5中可知，蒸发传热率在外径7mm时为110％，在外径7.94mm时增高到130％，在外径9.52mm时增高到140％。由此，外径优选7.9mm以上。

图6是表示考察了螺旋角β对冷凝、蒸发传热率的影响的结果的曲线图。另外，纵轴表示与以往的内表面带槽的管的性能比，而横轴表示螺旋槽的螺旋角β。螺旋角以外的规格与表2的外径9.52mm的内表面带槽的传热管相同。

从图6中可知，蒸发传热率在螺旋角18度时为115％，在螺旋角25度时增高到130％，在螺旋角35度时增高到140％。由此，螺旋角β优选25度以上。

因此，由上述测定可以确认：如果外径do为do≥7.9mm、螺旋槽200的螺旋角β为β≥25度，则通过增加第二翅片24，冷凝传热率的降低小，而蒸发传热率的提高大。

表1

No.	外径mm	底壁厚mm	高翅片			低翅片
								翅片高度mm	螺旋角度	翅片数	翅片高度mm	峰数
			1	7.0	0.25	0.18	30						40	0.03	40
2	7.9	0.26						0.18	30	50	0.03	50
			3	9.5	0.28	0.18	35						55	0.03	55

表2

No.	外径mm	底壁厚mm	高翅片			低翅片
								翅片高度mm	螺旋角度	翅片数	翅片高度mm	峰数
			1	9.52	0.28	0.18	35						60	0.03	40
2	8	0.26						0.18	30	50	0.03	25

根据以上说明的实施方式，得到以下所示的效果。

第二翅片24的翅片高度hf(mm)及螺旋角α(度)，在将螺旋槽200的槽底宽度及螺旋角分别设为W(mm)、β(度)，并且将管主体22的内径设为di(mm)，P＝W×di×sinβ为P≥0.86mm2的场合，在设定尺寸、角度分别满足式Hf/15≤hf≤Hf/3和α＝β时，则可大幅度提高蒸发传热率，并可抑制冷凝传热率的降低。

以上，将本发明的内表面带槽的传热管基于上述实施方式进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内，可以实施各种方式，例如也可以进行如下所示的变形。

在本实施方式中，虽然对第二翅片24在螺旋槽200(55个)的各槽底竖立设置一个的场合进行了说明，但本发明不限于此，如图7及图8所示，也可以将第二翅片24竖立设置在特定的螺旋槽200的槽底。在这种场合，其个数不限于单数。即要点在于，本发明只要在多个螺旋槽中至少一个螺旋槽的槽底竖立设置至少一个第二翅片即可。

Claims (5)

1.一种内表面带槽的传热管，具备：

具有作为中心轴线的管轴线的管主体；

通过在上述管主体的内表面沿上述管轴线设置多个螺旋槽而形成，且具有规定的翅片高度Hf的多个第一翅片；以及

在上述多个螺旋槽中的至少一个螺旋槽的槽底上竖立设置的至少一个第二翅片；其特征在于：

上述第二翅片的翅片高度hf及螺旋角α，在将上述螺旋槽的槽底宽度及螺旋角分别设为W、β，并且将上述管主体的内径设为di时，P＝W×di×sinβ为P≥0.86的场合，设定为尺寸、角度分别满足式Hf/15≤hf≤Hf/3和α＝β。

2.根据权利要求1所述的内表面带槽的传热管，其特征在于，

将上述第二翅片的翅片数设定为具有与上述第一翅片的翅片数相同的翅片数。

3.根据权利要求1所述的内表面带槽的传热管，其特征在于，

将上述第二翅片的翅片数设定为比上述第一翅片的翅片数少的翅片数。

4.根据权利要求1所述的内表面带槽的传热管，其特征在于，

将上述第二翅片的翅片数设定为比上述第一翅片的翅片数多的翅片数。

5.根据权利要求1～4中任何一项所述的内表面带槽的传热管，其特征在于：

上述管主体的外径do的尺寸设定为满足式do≥7.9mm，

上述螺旋槽的螺旋角的角度β设定为满足式β≥25度。

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